空氣動力學(xué)原理

空氣動力學(xué)原理第1頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2）速度勢在任何一個(gè)方向上的偏導(dǎo)數(shù)，等于速度在該方向上的投影根據(jù)數(shù)學(xué)上方向?qū)?shù)的概念，速度勢在任意方向l上的方向?qū)?shù)為3）在勢流場中，沿任意封閉曲線的速度環(huán)量為零。第2頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流函數(shù)1）流函數(shù)的等值線與流線重合3.平行流就是流體質(zhì)點(diǎn)以相同的速度相互平行地作等速直線運(yùn)動。存在速度勢第3頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)φ＝常數(shù)時(shí)，x＝常數(shù)，所以等勢線是x＝c的一族與y軸平行的直線。存在流函數(shù)第4頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月平行流的等勢線和流線圖第5頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月流體從平面上一點(diǎn)均勻地向四周流出，一直流向無窮遠(yuǎn)處，這樣的流動稱為平面點(diǎn)源。流體流出的點(diǎn)稱為源點(diǎn)，單位時(shí)間內(nèi)流出的體積流量稱為源強(qiáng)，用qv表示。速度勢函數(shù)第6頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.偶極子一對等強(qiáng)度的點(diǎn)源和點(diǎn)匯距離為零時(shí)，稱偶極子第7頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.平行流繞圓柱體無環(huán)流流動第8頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月阻力定義粘性阻力物體前后壓力第11頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圓柱表面的壓強(qiáng)分布第12頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2、翼型受力分析

環(huán)流的存在導(dǎo)致了葉片的工作。F—翼葉上受的氣動力，與翼弦AB垂直；FL—作用在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上升力；FD—作用在垂直風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上阻力。第15頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)00迎角繞流(a)00迎角繞流(b)50迎角繞流翼型繞流圖畫第22頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)150迎角繞流(d)200迎角繞流第23頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月升力與阻力(D為阻力，L為升力

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第24頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月平板與氣流方向垂直時(shí)的情況，此時(shí)平板受到的阻力最大，升力為零第25頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)平板靜止時(shí)，阻力雖大但并未對平板做功；當(dāng)平板在阻力作用下運(yùn)動，氣流才對平板做功；如果平板運(yùn)動速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運(yùn)動的平板當(dāng)速度是氣流速度的20%至50%時(shí)能獲得較大的功率。當(dāng)平板與氣流方向平行時(shí)，平板受到的作用力為零（阻力與升力都為零）第26頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)平板與氣流方向有夾角時(shí)，在平板的向風(fēng)面會受到氣流的壓力，在平板的下風(fēng)面會形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產(chǎn)生了側(cè)向作用力F，該力可分解為阻力D與升力L。第27頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)夾角較小時(shí)，平板受到的阻力D較??；此時(shí)平板受到的作用力主要是升力L。第28頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月截面為流線型的翼片阻力很小，即使與氣流方向平行也會有升力，因?yàn)橐砥戏綒饬魉俣缺认路娇?，跟?jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強(qiáng)比下方小，翼片就受到向上的升力作用。第29頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角）時(shí)，升力會增大，阻力也會增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會發(fā)生分離，產(chǎn)生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升。第30頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月總空氣動力阻力升力第33頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月升力系數(shù)阻力系數(shù)總的空氣動力系數(shù)

第34頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月對于同一種翼型（截面形狀），其升力系數(shù)和阻力系數(shù)的比值，被稱為升阻比（k）：第38頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力中心

正常工作的翼片受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個(gè)合力來表示，該力與弦線（翼片前緣與后緣的連線）的交點(diǎn)即為翼片的壓力中心。對于普通薄翼型，在攻角在5至15度時(shí)，壓力中心約在翼片前緣開始的1/4的位置。第40頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月翼的俯仰力矩翼的俯仰力矩系數(shù)L-翼的弦長(蘇紹禹)第43頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月相對風(fēng)速

下圖是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉片截面，當(dāng)葉片運(yùn)動時(shí)，葉片感受到的風(fēng)速稱為相對風(fēng)速w→，它是葉片的線速度（矢量）u→與風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度（矢量）v→的合成矢量w→=u→+v→第44頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月埃菲爾極線升力、阻力曲線第53頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月埃菲爾極線第54頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月埃菲爾極線曲線上的每一個(gè)點(diǎn)與原點(diǎn)的連線代表總氣動力系數(shù)的大小和方向，自然我們可以在埃菲爾曲線上找到升力阻力和總氣動力的真實(shí)關(guān)系過原點(diǎn)的射線與埃菲爾極線相切的點(diǎn)所對應(yīng)的攻角是最佳攻角。第55頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可知：切點(diǎn)處升阻比最大第56頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月葉素弦長、安裝角

在葉尖（r>0.8R）選用最佳安裝角，靠近葉跟處增大攻角來減小弦長，且功率下降不多。第58頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月葉片翼型的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)

1、葉片翼型幾何參數(shù)：（1）翼的前緣；（2）翼的后緣；（3）翼弦；（4）翼的上表面（5）翼的下表面

（6）翼的最大厚度h（7）葉片安裝角（8）迎角（攻角）（9）入流角第61頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、功率調(diào)節(jié)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到額定功率。由于風(fēng)速和功率是三次方的關(guān)系，風(fēng)速再增加，發(fā)電機(jī)就會過載，必須有相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)措施，使機(jī)組的輸出功率不再增加。目前主要有兩種調(diào)節(jié)功率的方法，都是采用空氣動力方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的。一種是定槳距（失速）調(diào)節(jié)方法；一種是變槳距調(diào)節(jié)方法。

第62頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1、定槳距（失速）調(diào)節(jié)方法

葉片與輪轂剛性聯(lián)結(jié)。

失速控制主要是通過確定葉片翼型的扭角分布，使風(fēng)輪功率達(dá)到額定點(diǎn)后，減少升力提高阻力來實(shí)現(xiàn)的。在一般運(yùn)行情況下，風(fēng)輪上的動力來源于氣流在翼型上流過產(chǎn)生的升力。由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)速增加葉片上的迎角隨之增加，直到最后氣流在翼型上表面分離而產(chǎn)生脫落，這種現(xiàn)象稱為失速。第63頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月就像圖2.7所示的那樣。第64頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

一旦迎角達(dá)到失點(diǎn)，葉素將進(jìn)入失速區(qū)，CL減小，CD增加，這兩個(gè)變化導(dǎo)致扭矩減小，功率也跟著減小。但由于阻力項(xiàng)的增加，作用在機(jī)組上的力是增加的。第65頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月注意:

失速不總是在同一迎角下，而與迎角變化有關(guān)(如陣風(fēng))，是一個(gè)動態(tài)變化過程。在失速與氣流恢復(fù)到正常流動之間，有滯后現(xiàn)象存在，造成葉片受力變化很大。失速型機(jī)組對安裝角比較敏感，葉片的安裝角要盡量達(dá)到最佳，以免影響機(jī)組額定出力。另外失速型機(jī)組受空氣密度的影響也比較大，在高海拔地區(qū)有可能達(dá)不到其額定輸出。

第66頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：1）葉片和輪轂之間無運(yùn)動部件，輪轂結(jié)構(gòu)簡單，費(fèi)用低；2）沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi);3)在失速后功率的波動小。缺點(diǎn)：1）氣動剎車系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和制造要求高；2）葉片、機(jī)艙和塔架上的動態(tài)載荷高；3）由于常需要?jiǎng)x車過程，在葉片和傳動系統(tǒng)中產(chǎn)生很高的機(jī)械載荷；4）起動性差；5）機(jī)組承受的風(fēng)載荷大；6）在低空氣密度地區(qū)難以達(dá)到額定功率。第67頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2、變槳距控制葉片與輪轂通過軸承機(jī)構(gòu)聯(lián)接。

第68頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月變槳距控制主要是通過改變翼型迎角變化，使翼型升力變化來進(jìn)行調(diào)的。變槳距控制多用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。變槳距控制是通過葉片和輪轂之間的軸承機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動葉片來減小迎角，由此來減小翼型的升力，以達(dá)到減小作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。第69頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

變槳調(diào)節(jié)時(shí)葉片迎角可相對氣流連續(xù)變化，以便使風(fēng)輪功率輸出達(dá)到希望的范圍。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉片向小迎角方向變化而限制功率。第70頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：1）起動性好；2）剎車機(jī)構(gòu)簡單，葉片順槳后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以逐漸下降；

3）額定點(diǎn)以前的功率輸出飽滿；

4）額定點(diǎn)以后的輸出功率平滑；

5）風(fēng)輪葉根承受的靜、動載荷小。缺點(diǎn):1)由于有葉片變距機(jī)構(gòu)、輪轂較復(fù)雜，可靠性設(shè)計(jì)要求高，維