風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)理論

1、A practical design modelName: ZhaoxinhuiTime : 10 December 2015Content 2. Double Actuator-Disk Theory 3. Dynamic stall4.Wind conditions of turbulence 1. Blade element theory1. Blade element theory貝茨理論 貝茨理論是基于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的，但是作用在運(yùn)動(dòng)翼型上的空氣動(dòng)力、以及在力學(xué)相似條件下運(yùn)行的幾何相似風(fēng)力機(jī)的概念，對垂直軸也是適用的。而且，對垂直軸風(fēng)力機(jī)功率的估算也要與用貝茨公式計(jì)算的最大功率相比

2、較。貝茨理論是應(yīng)用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量方程，來討論理想狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能利用系數(shù)。貝茨理論的假設(shè)條件如下： 1.風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡化成一個(gè)流管 2.風(fēng)輪沒有錐角、傾角和偏角，這時(shí)風(fēng)輪可簡化成一個(gè)平面槳盤 3.風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有摩擦阻力，風(fēng)輪前未受擾動(dòng)的氣流靜壓和風(fēng)輪 后的氣流靜壓相等 4.作用在風(fēng)輪上的推力是均勻的實(shí)際情況下，在能量的轉(zhuǎn)實(shí)際情況下，在能量的轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種換過程中，由于存在各種損失，風(fēng)輪的輸出功率損失，風(fēng)輪的輸出功率必必然然有所下降，而且由于采有所下降，而且由于采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的形用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的形式不同，其能量損失也不式不同，其能量損失也不一樣一樣，一般

3、，一般約為最大輸出約為最大輸出功率的功率的 1/3。也就是說實(shí)際也就是說實(shí)際風(fēng)力機(jī)的功率利用系數(shù)風(fēng)力機(jī)的功率利用系數(shù) Cp0.593。1. Blade element theory 葉素理論是從葉素附近流動(dòng)來分析葉片上的受力和能量交換。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)組成的最核心部分，它要獲取能量，是通過組合多個(gè)葉片在一起吸收轉(zhuǎn)化風(fēng)所具有的動(dòng)能。翼型是構(gòu)成葉片的基本元素，翼型的展向延長便構(gòu)成了葉片，即葉片的剖面形狀就是翼型。葉素理論就是基于對葉片翼型的分析來分析葉片的受力狀況，取葉片翼型微元段為基礎(chǔ)研究對象，分析葉片所受的氣動(dòng)力。翼型的形狀和受力分析如下圖。1. Blade element theory 對風(fēng)力機(jī)

4、來說，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)其實(shí)就是風(fēng)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，空氣以相對速度W吹向葉片。由伯努利方程可知，這種運(yùn)動(dòng)會使空氣產(chǎn)生的壓力不均勻的分布在翼型表面上，這樣勢必使翼型上表面的氣流壓強(qiáng)要高于翼型下表面，使翼型上、下表面產(chǎn)生壓差。由于壓差的存在，翼型表面會產(chǎn)生力的作用。翼型表面上的作用力可分解為垂直于相對速度W的升力Fl和與相對速度平行的阻力Fd。1. Blade element theory1. Blade element theory1. Blade element theory2.Double Actuator-Disk Theory 2.1 Single Actuator-Disk & S

5、ingle Stream-tube （SDST） 2.2 Single Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （SDMT） 2.3 Double Actuator-Disk & Single Stream-tube（DDST） 2.4 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）2.1 Single Actuator-Disk & Single Stream-tube （SDST） 為計(jì)算垂直軸風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性, 第一個(gè)提出了基于動(dòng)量定理的單盤面單流管模型。該模型將風(fēng)機(jī)葉輪簡化為被一個(gè)流管包圍的盤面,并假設(shè)

6、整個(gè)盤面上葉片誘導(dǎo)速度均勻分布,將所有葉片經(jīng)過流管上游區(qū)域和下游區(qū)域的作用力之和作為該流管上的外力,應(yīng)用動(dòng)量定理建立聯(lián)系這一外力和流管動(dòng)量變化的方程式,從而求解出誘導(dǎo)速度,然后計(jì)算葉輪的氣動(dòng)性育旨。 結(jié)果證明這種方法在低速比和低密實(shí)度情況下,預(yù)報(bào)風(fēng)力機(jī)的整體氣動(dòng)力性能是可行的。這種模型相對簡單,但是不能反映轉(zhuǎn)子作用盤面范圍內(nèi)上游區(qū)域和下游區(qū)域以及垂直于流向不同位置處的流動(dòng)參數(shù)的變化,因此是一種比較粗糙的方法。2.2 Single Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （SDMT） 為了提高流管模型預(yù)報(bào)的精確性為了提高流管模型預(yù)報(bào)的精確性, 發(fā)展出了單盤發(fā)展出

7、了單盤面面多流管模型。多流管模型。該方法在單盤面該方法在單盤面單流管單流管模型的基礎(chǔ)上模型的基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)子作用盤面沿垂直于來將轉(zhuǎn)子作用盤面沿垂直于來流的方向細(xì)分成多個(gè)獨(dú)立微流的方向細(xì)分成多個(gè)獨(dú)立微流管流管,假設(shè)每個(gè)流管均同來流方向平行假設(shè)每個(gè)流管均同來流方向平行,且流管截面上的誘導(dǎo)速度均勻分布且流管截面上的誘導(dǎo)速度均勻分布,對對每個(gè)流管分別運(yùn)用動(dòng)量定理每個(gè)流管分別運(yùn)用動(dòng)量定理求解其誘導(dǎo)速度求解其誘導(dǎo)速度,從而得到葉輪的氣動(dòng)性能從而得到葉輪的氣動(dòng)性能。單盤。單盤面多流管模型考面多流管模型考慮了垂直于來流方向上流動(dòng)參數(shù)不同的影響慮了垂直于來流方向上流動(dòng)參數(shù)不同的影響,理論上理論上比單盤比單盤面單流

8、面單流管模型顯得更合理管模型顯得更合理。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） Paraschiviou提出提出了雙盤面多流管了雙盤面多流管模型。模型。該模型采用同單盤面多流該模型采用同單盤面多流管模型相同的流管細(xì)分方法管模型相同的流管細(xì)分方法,即即在輪機(jī)盤面處沿垂直于來流方向細(xì)在輪機(jī)盤面處沿垂直于來流方向細(xì)分多個(gè)獨(dú)立微分多個(gè)獨(dú)立微流管；不同流管；不同之處在于將之處在于將每個(gè)每個(gè)流管進(jìn)一步細(xì)分為上游流管進(jìn)一步細(xì)分為上游區(qū)域和下游區(qū)域區(qū)域和下游區(qū)域,并將上游流管的尾流速度作為并將上游流管的尾流速度作為下游下游流管的來流速流管的來

9、流速度度,分別建立動(dòng)量方程并獨(dú)立求解上、下游盤面處的分別建立動(dòng)量方程并獨(dú)立求解上、下游盤面處的誘導(dǎo)速度誘導(dǎo)速度。雙。雙盤面多流管模型既考慮了垂直于來流方向流動(dòng)參數(shù)的不同盤面多流管模型既考慮了垂直于來流方向流動(dòng)參數(shù)的不同,又考慮又考慮了轉(zhuǎn)子了轉(zhuǎn)子作用盤面上游區(qū)域?qū)ο掠螀^(qū)域的影響作用盤面上游區(qū)域?qū)ο掠螀^(qū)域的影響,提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性,但該但該模型假設(shè)模型假設(shè)上游盤面和下游盤面的各個(gè)微流管的誘導(dǎo)速度分別上游盤面和下游盤面的各個(gè)微流管的誘導(dǎo)速度分別相同相同,沒有考慮同沒有考慮同一盤一盤面處不同流管誘導(dǎo)速度的差異面處不同流管誘導(dǎo)速度的差異。 Paraschiviou隨后還對雙盤多隨后還對

10、雙盤多流管流管理論進(jìn)行了改進(jìn)，在原來的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了改進(jìn)，在原來的基礎(chǔ)上，加入了流管膨脹、葉片幾何形狀和上，加入了流管膨脹、葉片幾何形狀和翼型類型翼型類型、塔架、支柱以、塔架、支柱以及氣動(dòng)擾流板等引起的二次效應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)失速的影響及氣動(dòng)擾流板等引起的二次效應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)失速的影響。雙。雙盤多盤多流管理論是現(xiàn)下最先進(jìn)的氣動(dòng)模型流管理論是現(xiàn)下最先進(jìn)的氣動(dòng)模型。 雙盤多流管模型理論是已經(jīng)證實(shí)對于中小尺寸、小葉輪實(shí)度的垂雙盤多流管模型理論是已經(jīng)證實(shí)對于中小尺寸、小葉輪實(shí)度的垂直軸直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)的性能預(yù)測有比較好的準(zhǔn)確性。的性能預(yù)測有比較好的準(zhǔn)確性。圓圓 盤盤 上上 游游 剖剖 面面 管管 的的 橫橫

11、截截 面面 積積 比比 圓圓 盤盤 面面 積積 小小 ， 而而 下下 游游 的的 則則 比比 圓圓 盤盤 的的 面面 積積 大大 。流。流 管管 膨膨 脹脹 主主 要要 是是 因因 為為 要要 保保 證證 流流 管管 每每 一一 處處 橫橫 截截 面面 積積 的的 質(zhì)質(zhì) 量量 流流 量量 相相 等等 。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）將多流管模型中的流管分為上風(fēng)和下風(fēng)兩個(gè)部分，用于計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷與轉(zhuǎn)子特性，也就是所謂的雙致動(dòng)盤多流管模型。上風(fēng)區(qū)域致動(dòng)盤接收到來自遠(yuǎn)場的風(fēng)速，而下風(fēng)區(qū)域致動(dòng)盤則接收到的是來自風(fēng)力

12、機(jī)內(nèi)部流場。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） Paraschiviou等學(xué)者將多流管模型進(jìn)行了改進(jìn)，將多流管模型中的流管分為上風(fēng)和下風(fēng)兩部分，用于計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷與轉(zhuǎn)子特性，雙盤多流管理論的數(shù)學(xué)模型主要為：2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 如果結(jié)構(gòu)和材料類似，質(zhì)量（或成本）與轉(zhuǎn)子直徑的立方成正比。風(fēng)能的捕捉與掃略面積和風(fēng)速的立方成正比

13、。在具有“標(biāo)準(zhǔn)”的垂直風(fēng)切變的地區(qū)，這將導(dǎo)致總捕獲能量隨直徑的2.4次方增加。因此，隨著掃略面積的增加，風(fēng)力機(jī)將產(chǎn)生總的負(fù)面效益。（Malcolm ; Schienbein ） 在大多數(shù)風(fēng)場，提高展弦比增加風(fēng)輪的平均高度，是捕獲更多能量的另一種方法，但要求增加風(fēng)輪轉(zhuǎn)子材料的剛度。一般情況下風(fēng)輪的高徑比為0.81.2。 風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速主要受控于風(fēng)況、轉(zhuǎn)子實(shí)度和額定功率。通過增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以用最小的葉片掃略面積獲得更多的能量；但這很可能導(dǎo)致葉片不能承受氣動(dòng)和慣性載荷。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 對提出的雙盤面多流管模型

14、進(jìn)行了改進(jìn)，不僅假設(shè)每個(gè)微流管上、下游盤面處的誘導(dǎo)速度不相同,而且假設(shè)上游盤面和下游盤面不同微流管的誘導(dǎo)速度也不相同。同時(shí),在流管的擴(kuò)張效應(yīng)、葉片的非定常運(yùn)動(dòng)效應(yīng)等方面做了大量修正,使得該模型更趨完善。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 基于動(dòng)量定理的流管模型在一定速比、密實(shí)度和載荷范圍內(nèi)能夠有效地預(yù)報(bào)風(fēng)機(jī)葉輪的總體氣動(dòng)性能,例如能量利用率一速比特性、風(fēng)速一轉(zhuǎn)速一功率特性等而且多流管模型能夠計(jì)算流場的某些細(xì)節(jié),例如上游盤面對下游盤面的影響。流管模型簡單快捷,便于工程應(yīng)用,在垂直軸風(fēng)機(jī)葉輪氣動(dòng)性能預(yù)報(bào)上得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展

15、。但是,流管法由于其模型本身的局限性,也存在一些不足首先不太適用于計(jì)算較高速比、密實(shí)度和載荷情況下的風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)性能,在大速比情況下,動(dòng)量方程求解容易發(fā)散,從而得不到誘導(dǎo)速度其次動(dòng)量定理模型忽略了垂直來流方向的誘導(dǎo)速度,在求解風(fēng)機(jī)計(jì)卜輪側(cè)向受力時(shí)有一定的困難另外由于流管法不能精確地計(jì)算流場細(xì)節(jié),因而無法準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)風(fēng)機(jī)葉片的非定常特性和瞬時(shí)載荷。3. Dynamic stall 動(dòng)態(tài)失速的典型特征為渦擾動(dòng)沿上部升力面的脫落與發(fā)展。由于動(dòng)態(tài)失速的典型特征為渦擾動(dòng)沿上部升力面的脫落與發(fā)展。由于涉及更多參數(shù)，動(dòng)態(tài)失速比靜態(tài)失速更難分析和預(yù)測。動(dòng)態(tài)失速涉及更多參數(shù)，動(dòng)態(tài)失速比靜態(tài)失速更難分析和預(yù)測。動(dòng)

16、態(tài)失速特性除取決于特性除取決于翼型翼型俯仰振蕩的初始攻角俯仰振蕩的初始攻角、折算頻率折算頻率、俯仰中心位、俯仰中心位置和攻角變化幅值外，還與置和攻角變化幅值外，還與翼型形狀翼型形狀、運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)形式、表面粗糙度、表面粗糙度、雷諾數(shù)雷諾數(shù)、馬赫數(shù)馬赫數(shù)和和三維效應(yīng)三維效應(yīng)有關(guān)，是一種非常復(fù)雜的非定常效應(yīng)有關(guān)，是一種非常復(fù)雜的非定常效應(yīng)。 對于給定翼型，決定流動(dòng)分離程度的主要參數(shù)為最大攻角。動(dòng)力對于給定翼型，決定流動(dòng)分離程度的主要參數(shù)為最大攻角。動(dòng)力失速一個(gè)重要因素是大幅度運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致很大的攻角峰值。失速一個(gè)重要因素是大幅度運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致很大的攻角峰值。 國內(nèi)外國內(nèi)外學(xué)者對動(dòng)態(tài)失速進(jìn)行了大量的研

17、究工作，并提出了一系列學(xué)者對動(dòng)態(tài)失速進(jìn)行了大量的研究工作，并提出了一系列的失速模型，用于對動(dòng)量的失速模型，用于對動(dòng)量葉素理論模型的修正。其中應(yīng)用較廣葉素理論模型的修正。其中應(yīng)用較廣泛的有泛的有 Gormont 模型模型MIT 模型和模型和 Beddoes 模型。模型。 動(dòng)態(tài)失速是指一個(gè)振蕩動(dòng)態(tài)失速是指一個(gè)振蕩(或做其它非定常運(yùn)動(dòng)或做其它非定常運(yùn)動(dòng)) 的物體在其壓力面的物體在其壓力面超過臨界迎角時(shí)繞流流場發(fā)生非定常分離和失速的現(xiàn)象超過臨界迎角時(shí)繞流流場發(fā)生非定常分離和失速的現(xiàn)象,例如例如,直直升機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和風(fēng)力機(jī)葉片的顫振等流動(dòng)中升機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和風(fēng)力機(jī)葉片的顫振

18、等流動(dòng)中都會發(fā)生動(dòng)態(tài)失速。動(dòng)態(tài)失速可以在許多情況下出現(xiàn)如大氣紊流、都會發(fā)生動(dòng)態(tài)失速。動(dòng)態(tài)失速可以在許多情況下出現(xiàn)如大氣紊流、塔座影響、偏航工況等等。風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)失速發(fā)生在進(jìn)口來流攻塔座影響、偏航工況等等。風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)失速發(fā)生在進(jìn)口來流攻角快速變化的過程中風(fēng)輪葉片表現(xiàn)出的與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全不同的氣角快速變化的過程中風(fēng)輪葉片表現(xiàn)出的與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全不同的氣動(dòng)特性。動(dòng)特性。1988 年首次發(fā)表的關(guān)于由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象論文年首次發(fā)表的關(guān)于由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象論文證實(shí)了動(dòng)態(tài)失速對葉輪負(fù)荷的嚴(yán)重影響證實(shí)了動(dòng)態(tài)失速對葉輪負(fù)荷的嚴(yán)重影響。 垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中，風(fēng)輪葉片單元類似翼型的俯

19、仰振蕩運(yùn)動(dòng)，風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中，風(fēng)輪葉片單元類似翼型的俯仰振蕩運(yùn)動(dòng)，攻角攻角的大小和方向隨方位角的變化呈周期性規(guī)律變化。當(dāng)葉片單元攻角增加的大小和方向隨方位角的變化呈周期性規(guī)律變化。當(dāng)葉片單元攻角增加達(dá)到達(dá)到靜態(tài)靜態(tài)失速攻角時(shí)，翼型的繞流仍然保持附著流動(dòng)；隨著攻角的增大，繞失速攻角時(shí)，翼型的繞流仍然保持附著流動(dòng)；隨著攻角的增大，繞翼型的翼型的氣流將氣流將會在后緣和前緣發(fā)生分離，導(dǎo)致法向力系數(shù)過大，俯仰力矩系會在后緣和前緣發(fā)生分離，導(dǎo)致法向力系數(shù)過大，俯仰力矩系數(shù)減?。唤又鴶?shù)減??；接著法向法向力系數(shù)急劇減小，此時(shí)的攻角稱為法向力動(dòng)態(tài)失速攻角。力系數(shù)急劇減小，此時(shí)的攻角稱為法向力動(dòng)態(tài)失速攻角。經(jīng)過動(dòng)

20、態(tài)失速攻角經(jīng)過動(dòng)態(tài)失速攻角范圍范圍后，翼型并不會在攻角小于動(dòng)態(tài)失速攻角時(shí)立即恢復(fù)后，翼型并不會在攻角小于動(dòng)態(tài)失速攻角時(shí)立即恢復(fù)到靜態(tài)失速時(shí)的繞流狀態(tài)到靜態(tài)失速時(shí)的繞流狀態(tài)，而是，而是對攻角的反應(yīng)稍有滯后，在氣動(dòng)力特性曲線對攻角的反應(yīng)稍有滯后，在氣動(dòng)力特性曲線上表現(xiàn)為一個(gè)遲滯現(xiàn)象。造成上表現(xiàn)為一個(gè)遲滯現(xiàn)象。造成這種這種情況的原因是由于葉片在大攻角下非定常情況的原因是由于葉片在大攻角下非定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞翼型氣流發(fā)生分離及運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞翼型氣流發(fā)生分離及遲滯的遲滯的現(xiàn)象，即動(dòng)態(tài)失速。動(dòng)態(tài)失速是立軸現(xiàn)象，即動(dòng)態(tài)失速。動(dòng)態(tài)失速是立軸風(fēng)力機(jī)低尖速比下運(yùn)行時(shí)的必風(fēng)力機(jī)低尖速比下運(yùn)行時(shí)的必 然結(jié)果。然結(jié)果。 Gormont 模型是第一個(gè)用于風(fēng)輪設(shè)計(jì)及性能分析的方法,該模型需要知道實(shí)際攻角值,和攻角的時(shí)間變化率,以及兩個(gè)由實(shí)驗(yàn)決定的常數(shù),實(shí)踐證明該方法僅對一部分風(fēng)輪有效,這是由于修正系數(shù)的不確定性造成的。Beddoes 發(fā)展了一個(gè)新的動(dòng)態(tài)失速模型它基于對動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象較深入的了解,因此比第一種方法更合理可靠,對攻角的時(shí)間變化率不敏感,目前該方法較普遍地應(yīng)用于預(yù)估風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)失速特性,但不足是也必須依賴于經(jīng)驗(yàn)修正常數(shù)。ONEAR 于 1991年發(fā)展了一種新模型,在該模型中,用常系數(shù)線性微分方程用于描述升力和阻力系數(shù)的線性和