风力发电机空气动力学基础知识

第2章风力发电空气动力学基本原理1、在分析风电机组的空气动力学过程中，分别应用了一维动量理论、叶素—动量理论和涡流理论。

这些理论以及对气流流过风机叶轮时更复杂的运动状态的研究，本质上都是以气体的动量守恒为基础，来研究更接近气流真实流动状态下叶片转换能量的效率和作用在叶片上的载荷。

2、风是空气流动的现象。

流动的空气具有能量，在忽略化学能的情况下，这些能量包括机械能（动能、势能和压力能）和热能。

3、从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。

4、风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。

5、可压缩流体：在压力作用下体积发生明显变化的流体。

6、远低于音速的空气流动过程（风），气体的压力和温度的变化忽略不计，因而可以将空气作为不可压缩流体来研究。

7、黏性是流体的重要物理属性。

是流体抵抗剪切力变形的能力。

8、流体运动时，如果相邻层流体的运动速度不同，在他们的界面上会产生切应力。

速度快的流层对速度慢的流层产生拖动力，速度慢的对速度快的流层产生阻力。

这个切应力叫做流体内摩擦力，或黏性切应力。

9、在流动的物体都会受到相对于空气运动的所受的逆物体运动方向或沿空气来流速度方向的气体动力的分力。

这个力叫做流动阻力。

在低于音速的情况下，流动阻力分为摩擦阻力和压差阻力。

在物体表面产生的全部摩擦力的合力成为摩擦阻力。

与物体面相垂直的气流压力合成的阻力称压差阻力。

10、古老的风能利用使用的风车、现在使用的风杯式测风仪是利用压差阻力进行工作的。

11、流体运动分为层流和湍流两种状态。

12、层流和湍流传递动量、热量和质量的方式不同：层流的传递过程通过分子间相互作用，湍流的传递过程主要通过质点间的混掺。

13、雷诺数在物理上的本质是表征了流体运动的惯性力与粘性力的比值。

14、流体边界层是流体高雷诺数流过壁面时，在紧贴壁面的粘性力不可忽略的流动薄层。

15、伯努利方程是流体的机械能量守恒方程。

风力机空气动力学常识作者：曹连芃关键字：翼型,升力，阻力，相对风速，攻角，失速迎角，叶尖速比，贝茨极限，雷诺数，实度风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。

近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视，风力发电已成为重要的新能源。

对于想学习风力发电的朋友应该学习一些风力机空气动力学的基础知识。

升力与阻力风就是流动的空气，把一块薄的平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力。

我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，D为阻力，当平板静止时，受阻力虽大但气流并未对平板做功；只有平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。

一般说来受阻力运动的平板速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。

当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零。

当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成负压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L，阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。

当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。

飞机的翼片是用来产生升力的，一般翼片上表面弯曲，下表面平直，即使翼片与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。

由于飞机翼片截面为流线型，受气流阻力很小。

当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，升力会增大，阻力也会增加，适当选择翼片的攻角可获得最大的升力，尽量小的阻力。

风力机利用叶片受风的阻力运转的称阻力型风力机；利用叶片受风作用产生升力而运转的称升力型风力机。

水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有升力型结构。

风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。

空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。

本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。

首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。

其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。

风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。

在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。

风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。

其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。

当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。

根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。

此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。

这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。

风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。

翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。

一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。

在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。

最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。

随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。

另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。

在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。

风力机空气动力学基础知识风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。

近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。

为方便风力机技术知识的学习，下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。

升力与阻力风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。

图1中F是平板受到的作用力，FD为阻力，FL为升力。

阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。

图1-升力与阻力示意图我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，见图2，此时平板受到的阻力最大，升力为零。

当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。

一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率，阻力型风力机就是利用叶片受的阻力工作的。

图2-阻力的形成当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。

当平板与气流方向有夹角时（见图3），气流遇到平板的向风面会转向斜下方，从而给平板一个压力，气流绕过平板上方时在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力FD与升力FL。

图3-升力与阻力的形成平板与气流方向的夹角称为攻角，当攻角较小时，平板受到的阻力FD较小；此时平板受到的作用力主要是升力FL，见图4。

图4-小攻角时升力大阻力小飞机、风筝能够升到空中就是依靠升力，升力型风力机就是靠叶片受到的升力工作的。

翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，翼型均为流线型，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，图5是翼型的几何参数图图5-翼型的几何参数与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线，翼型通过以下参数来描述：（1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。