水平軸風(fēng)力機的空氣動力學(xué)與風(fēng)力發(fā)電原理(編輯修改稿)
2025-06-20 11:47 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 風(fēng)輪 圓 盤時顯然有靜壓降存在，以至于空氣離開風(fēng)輪時其壓力會小于大氣壓力。空氣流就會以減小的速度和靜壓向下游前進 —— 這個氣流域被稱為尾流。 ? 最終，為了保持平衡，下游遠端尾流的靜壓要與大氣壓保持一致。動能的消耗使靜壓增加，從而導(dǎo)致風(fēng)速進一步降低。因此在上游剖面遠端和尾流遠端之間，靜壓沒有發(fā)生變化，但是有動能減少。 貝茨（ Betz）理論 ? 貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流沒有阻力?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的），這時的風(fēng)輪稱 為 “理想風(fēng)輪”。 ? 設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 , 是實際通過風(fēng)輪的風(fēng)速， 是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積為 ， 葉片掃掠面的風(fēng)速面積為 ， 風(fēng)輪掃掠后的風(fēng)速面積為 。 1v v2v1ss2s? 風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則必 有 〈 ， 〉 。 2v 1v 2s 1s 圖 12 貝茨（ Betz）理論計算簡圖 — 葉片前的風(fēng)速； — 風(fēng)經(jīng)過葉片時的速度； — 風(fēng)經(jīng)過葉片后的速度； — 葉片前風(fēng)速的面積； — 風(fēng)經(jīng)過葉片時的面積； — 風(fēng)經(jīng)過葉片后的面積 1v v2v 1ss 2s1v 1ssv2s2v? 于是 ? 風(fēng)單位時間作用在葉片上的力由動量定理求得 式中： — 空氣當(dāng)時的密度， kg/m3； — 單位時間流過的空氣質(zhì)量， kg。 svvsvs ?? 2211)( 12 vvsvF ?? ??sv?? 風(fēng)輪所接受的功率為 ? 經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 式中： — 單位時間流過的空氣質(zhì)量 。 )( 122 vvsvFvN ??? ?)(21 2221 vvsvT ??? ?TN ??221 vvv ??sv?? 因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F和風(fēng)輪輸出的功率 N分別為 )(21 2221 vvsF ?? ?))((41212221 vvvvsN ??? ?? 風(fēng)速 是給定的 ， 的大小取決于 ， 是 的函數(shù) ， 對微分求最大值 ， 得 ? 令其等于 0， 求解方程 ， 得 1vN 2vN)3vv2v(41 2221212vsdvdN??12 31 vv ?2v? 求 Nmax得 ? 令 = ,稱作貝茨功率系數(shù) （或稱作理想風(fēng)能利用系數(shù)） ,有 3131m a x 271621278 svsvN ?? ???2716pC31m a x 21 svCNp ??? 而 正是風(fēng)速為 的風(fēng)能 ,故 ? = ,葉片所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積風(fēng)能的 %.貝茨理論說明 ,理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 %。 121 sv?1vTCN p?m a xpC風(fēng)輪圓盤理論 ? 將吸收能量轉(zhuǎn)化為可用能量的方式取決于風(fēng)力機的設(shè)計。多數(shù)風(fēng)力機采用帶有許多葉片的旋翼，葉片繞垂直于旋翼面且平行于風(fēng)向軸線的角速度進行旋轉(zhuǎn)。 ? 葉片掃過形成一個圓盤，依靠葉片的空氣動力設(shè)計在圓盤前、后形成壓力差，該壓力差造成尾流軸向動量的損失。伴隨軸向動量損失的是一種可以通過連接在風(fēng)輪軸的發(fā)電機收集起來的能量，正像風(fēng)輪受到推力一樣，在旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩可以被收集起來。 ? 發(fā)電機對旋轉(zhuǎn)速度恒定的氣流施加一個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩對發(fā)電機做功并轉(zhuǎn)化為電能。 旋渦理論 ? 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)工作時，流場并不是簡單的一維定常流動，而是一個三維流場，這個三維流場可看成由三個方向的一維定常流動組成的。研究指出：風(fēng)輪工作時，在流場中形成三種渦流。 ? 一種是由于氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，通過葉尖部的氣流跡線為螺旋線，在流場中形成螺旋渦流；同樣在輪轂附近有同樣的渦流形成中心渦流；另外，氣流通過葉片時，由于翼葉上下表面壓力不同，也形成渦流，這個渦流叫做邊界渦流。 ? 正因為渦流的存在，流場中軸向和周向速度發(fā)生變化，所以在貝茨理論的基礎(chǔ)上引入誘導(dǎo)因子。 圖 13 風(fēng)輪的 渦流系統(tǒng) 風(fēng)輪葉片理論 ? 在順翼展的方向，作用于風(fēng)輪葉片半徑為、長度為的展向葉素上氣動升力（和阻力）是由通過葉素掃過的圓環(huán)的氣體軸向動量變化率和角動量變化率產(chǎn)生的。另外，作用于葉素上的力是由空氣動力升力和阻力來提供，這種力是由關(guān)聯(lián)尾流旋轉(zhuǎn)速度的壓力降引起的。 ? 由于在接近圓盤的地方無旋轉(zhuǎn)氣流，就像引起軸向動量變化一樣，由旋轉(zhuǎn)尾流導(dǎo)致的圓盤順風(fēng)
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