风力发动机气动理论

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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贝茨理论 贝茨理论是基于水平轴风力发电机的，但是作用在运动翼型上的空气动力、以及在力学相似条件下运行的几何相似风力机的概念，对垂直轴也是适用的。而且，对垂直轴风力机功率的估算也要与用贝茨公式计算的最大功率相比

2、较。贝茨理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝茨理论的假设条件如下： 1.风轮流动模型可简化成一个流管 2.风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘 3.风轮叶片旋转时没有摩擦阻力，风轮前未受扰动的气流静压和风轮 后的气流静压相等 4.作用在风轮上的推力是均匀的实际情况下，在能量的转实际情况下，在能量的转换过程中，由于存在各种换过程中，由于存在各种损失，风轮的输出功率损失，风轮的输出功率必必然然有所下降，而且由于采有所下降，而且由于采用的风力机和发电机的形用的风力机和发电机的形式不同，其能量损失也不式不同，其能量损失也不一样一样，一般

3、，一般约为最大输出约为最大输出功率的功率的 1/3。也就是说实际也就是说实际风力机的功率利用系数风力机的功率利用系数 Cp0.593。1. Blade element theory 叶素理论是从叶素附近流动来分析叶片上的受力和能量交换。风轮是风力机组成的最核心部分，它要获取能量，是通过组合多个叶片在一起吸收转化风所具有的动能。翼型是构成叶片的基本元素，翼型的展向延长便构成了叶片，即叶片的剖面形状就是翼型。叶素理论就是基于对叶片翼型的分析来分析叶片的受力状况，取叶片翼型微元段为基础研究对象，分析叶片所受的气动力。翼型的形状和受力分析如下图。1. Blade element theory 对风力机

4、来说，风力机转动其实就是风轮叶片的转动，在转动的过程中，空气以相对速度W吹向叶片。由伯努利方程可知，这种运动会使空气产生的压力不均匀的分布在翼型表面上，这样势必使翼型上表面的气流压强要高于翼型下表面，使翼型上、下表面产生压差。由于压差的存在，翼型表面会产生力的作用。翼型表面上的作用力可分解为垂直于相对速度W的升力Fl和与相对速度平行的阻力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） 为计算垂直轴风机的气动特性, 第一个提出了基于动量定理的单盘面单流管模型。该模型将风机叶轮简化为被一个流管包围的盘面,并假设

6、整个盘面上叶片诱导速度均匀分布,将所有叶片经过流管上游区域和下游区域的作用力之和作为该流管上的外力,应用动量定理建立联系这一外力和流管动量变化的方程式,从而求解出诱导速度,然后计算叶轮的气动性育旨。 结果证明这种方法在低速比和低密实度情况下,预报风力机的整体气动力性能是可行的。这种模型相对简单,但是不能反映转子作用盘面范围内上游区域和下游区域以及垂直于流向不同位置处的流动参数的变化,因此是一种比较粗糙的方法。2.2 Single Actuator-Disk & Multiple Stream-tube （SDMT） 为了提高流管模型预报的精确性为了提高流管模型预报的精确性, 发展出了单盘发展出

7、了单盘面面多流管模型。多流管模型。该方法在单盘面该方法在单盘面单流管单流管模型的基础上模型的基础上,将转子作用盘面沿垂直于来将转子作用盘面沿垂直于来流的方向细分成多个独立微流的方向细分成多个独立微流管流管,假设每个流管均同来流方向平行假设每个流管均同来流方向平行,且流管截面上的诱导速度均匀分布且流管截面上的诱导速度均匀分布,对对每个流管分别运用动量定理每个流管分别运用动量定理求解其诱导速度求解其诱导速度,从而得到叶轮的气动性能从而得到叶轮的气动性能。单盘。单盘面多流管模型考面多流管模型考虑了垂直于来流方向上流动参数不同的影响虑了垂直于来流方向上流动参数不同的影响,理论上理论上比单盘比单盘面单流

8、面单流管模型显得更合理管模型显得更合理。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） Paraschiviou提出提出了双盘面多流管了双盘面多流管模型。模型。该模型采用同单盘面多流该模型采用同单盘面多流管模型相同的流管细分方法管模型相同的流管细分方法,即即在轮机盘面处沿垂直于来流方向细在轮机盘面处沿垂直于来流方向细分多个独立微分多个独立微流管；不同流管；不同之处在于将之处在于将每个每个流管进一步细分为上游流管进一步细分为上游区域和下游区域区域和下游区域,并将上游流管的尾流速度作为并将上游流管的尾流速度作为下游下游流管的来流速流管的来

9、流速度度,分别建立动量方程并独立求解上、下游盘面处的分别建立动量方程并独立求解上、下游盘面处的诱导速度诱导速度。双。双盘面多流管模型既考虑了垂直于来流方向流动参数的不同盘面多流管模型既考虑了垂直于来流方向流动参数的不同,又考虑又考虑了转子了转子作用盘面上游区域对下游区域的影响作用盘面上游区域对下游区域的影响,提高了计算的准确性提高了计算的准确性,但该但该模型假设模型假设上游盘面和下游盘面的各个微流管的诱导速度分别上游盘面和下游盘面的各个微流管的诱导速度分别相同相同,没有考虑同没有考虑同一盘一盘面处不同流管诱导速度的差异面处不同流管诱导速度的差异。 Paraschiviou随后还对双盘多随后还对

10、双盘多流管流管理论进行了改进，在原来的基础理论进行了改进，在原来的基础上，加入了流管膨胀、叶片几何形状和上，加入了流管膨胀、叶片几何形状和翼型类型翼型类型、塔架、支柱以、塔架、支柱以及气动扰流板等引起的二次效应，以及动态失速的影响及气动扰流板等引起的二次效应，以及动态失速的影响。双。双盘多盘多流管理论是现下最先进的气动模型流管理论是现下最先进的气动模型。 双盘多流管模型理论是已经证实对于中小尺寸、小叶轮实度的垂双盘多流管模型理论是已经证实对于中小尺寸、小叶轮实度的垂直轴直轴风力机风力机的性能预测有比较好的准确性。的性能预测有比较好的准确性。圆圆 盘盘 上上 游游 剖剖 面面 管管 的的 横横

11、截截 面面 积积 比比 圆圆 盘盘 面面 积积 小小 ， 而而 下下 游游 的的 则则 比比 圆圆 盘盘 的的 面面 积积 大大 。流。流 管管 膨膨 胀胀 主主 要要 是是 因因 为为 要要 保保 证证 流流 管管 每每 一一 处处 横横 截截 面面 积积 的的 质质 量量 流流 量量 相相 等等 。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）将多流管模型中的流管分为上风和下风两个部分，用于计算垂直轴风力机的气动载荷与转子特性，也就是所谓的双致动盘多流管模型。上风区域致动盘接收到来自远场的风速，而下风区域致动盘则接收到的是来自风力