风力发动机气动理论

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

12、机内部流场。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT）2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） Paraschiviou等学者将多流管模型进行了改进，将多流管模型中的流管分为上风和下风两部分，用于计算垂直轴风力机的气动载荷与转子特性，双盘多流管理论的数学模型主要为：2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 如果结构和材料类似，质量（或成本）与转子直径的立方成正比。风能的捕捉与扫略面积和风速的立方成正比

13、。在具有“标准”的垂直风切变的地区，这将导致总捕获能量随直径的2.4次方增加。因此，随着扫略面积的增加，风力机将产生总的负面效益。（Malcolm ; Schienbein ） 在大多数风场，提高展弦比增加风轮的平均高度，是捕获更多能量的另一种方法，但要求增加风轮转子材料的刚度。一般情况下风轮的高径比为0.81.2。 风力机风轮转速主要受控于风况、转子实度和额定功率。通过增加转子转速可以用最小的叶片扫略面积获得更多的能量；但这很可能导致叶片不能承受气动和惯性载荷。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 对提出的双盘面多流管模型

14、进行了改进，不仅假设每个微流管上、下游盘面处的诱导速度不相同,而且假设上游盘面和下游盘面不同微流管的诱导速度也不相同。同时,在流管的扩张效应、叶片的非定常运动效应等方面做了大量修正,使得该模型更趋完善。2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 基于动量定理的流管模型在一定速比、密实度和载荷范围内能够有效地预报风机叶轮的总体气动性能,例如能量利用率一速比特性、风速一转速一功率特性等而且多流管模型能够计算流场的某些细节,例如上游盘面对下游盘面的影响。流管模型简单快捷,便于工程应用,在垂直轴风机叶轮气动性能预报上得到了广泛的应用和发展

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适用于计算较高速比、密实度和载荷情况下的风机叶轮的气动性能,在大速比情况下,动量方程求解容易发散,从而得不到诱导速度其次动量定理模型忽略了垂直来流方向的诱导速度,在求解风机计卜轮侧向受力时有一定的困难另外由于流管法不能精确地计算流场细节,因而无法准确地预报风机叶片的非定常特性和瞬时载荷。3. Dynamic stall 动态失速的典型特征为涡扰动沿上部升力面的脱落与发展。由于动态失速的典型特征为涡扰动沿上部升力面的脱落与发展。由于涉及更多参数，动态失速比静态失速更难分析和预测。动态失速涉及更多参数，动态失速比静态失速更难分析和预测。动

16、态失速特性除取决于特性除取决于翼型翼型俯仰振荡的初始攻角俯仰振荡的初始攻角、折算频率折算频率、俯仰中心位、俯仰中心位置和攻角变化幅值外，还与置和攻角变化幅值外，还与翼型形状翼型形状、运动形式运动形式、表面粗糙度、表面粗糙度、雷诺数雷诺数、马赫数马赫数和和三维效应三维效应有关，是一种非常复杂的非定常效应有关，是一种非常复杂的非定常效应。 对于给定翼型，决定流动分离程度的主要参数为最大攻角。动力对于给定翼型，决定流动分离程度的主要参数为最大攻角。动力失速一个重要因素是大幅度运动，从而导致很大的攻角峰值。失速一个重要因素是大幅度运动，从而导致很大的攻角峰值。 国内外国内外学者对动态失速进行了大量的研

17、究工作，并提出了一系列学者对动态失速进行了大量的研究工作，并提出了一系列的失速模型，用于对动量的失速模型，用于对动量叶素理论模型的修正。其中应用较广叶素理论模型的修正。其中应用较广泛的有泛的有 Gormont 模型模型MIT 模型和模型和 Beddoes 模型。模型。 动态失速是指一个振荡动态失速是指一个振荡(或做其它非定常运动或做其它非定常运动) 的物体在其压力面的物体在其压力面超过临界迎角时绕流流场发生非定常分离和失速的现象超过临界迎角时绕流流场发生非定常分离和失速的现象,例如例如,直直升机桨叶旋转、航空发动机的涡轮和风力机叶片的颤振等流动中升机桨叶旋转、航空发动机的涡轮和风力机叶片的颤振

18、等流动中都会发生动态失速。动态失速可以在许多情况下出现如大气紊流、都会发生动态失速。动态失速可以在许多情况下出现如大气紊流、塔座影响、偏航工况等等。风力机的动态失速发生在进口来流攻塔座影响、偏航工况等等。风力机的动态失速发生在进口来流攻角快速变化的过程中风轮叶片表现出的与风洞实验完全不同的气角快速变化的过程中风轮叶片表现出的与风洞实验完全不同的气动特性。动特性。1988 年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文证实了动态失速对叶轮负荷的严重影响证实了动态失速对叶轮负荷的严重影响。 垂直轴风力机垂直轴风力机风轮在旋转过程中，风轮叶片单元类似翼型的俯

19、仰振荡运动，风轮在旋转过程中，风轮叶片单元类似翼型的俯仰振荡运动，攻角攻角的大小和方向随方位角的变化呈周期性规律变化。当叶片单元攻角增加的大小和方向随方位角的变化呈周期性规律变化。当叶片单元攻角增加达到达到静态静态失速攻角时，翼型的绕流仍然保持附着流动；随着攻角的增大，绕失速攻角时，翼型的绕流仍然保持附着流动；随着攻角的增大，绕翼型的翼型的气流将气流将会在后缘和前缘发生分离，导致法向力系数过大，俯仰力矩系会在后缘和前缘发生分离，导致法向力系数过大，俯仰力矩系数减小；接着数减小；接着法向法向力系数急剧减小，此时的攻角称为法向力动态失速攻角。力系数急剧减小，此时的攻角称为法向力动态失速攻角。经过动

20、态失速攻角经过动态失速攻角范围范围后，翼型并不会在攻角小于动态失速攻角时立即恢复后，翼型并不会在攻角小于动态失速攻角时立即恢复到静态失速时的绕流状态到静态失速时的绕流状态，而是，而是对攻角的反应稍有滞后，在气动力特性曲线对攻角的反应稍有滞后，在气动力特性曲线上表现为一个迟滞现象。造成上表现为一个迟滞现象。造成这种这种情况的原因是由于叶片在大攻角下非定常情况的原因是由于叶片在大攻角下非定常运动时，绕翼型气流发生分离及运动时，绕翼型气流发生分离及迟滞的迟滞的现象，即动态失速。动态失速是立轴现象，即动态失速。动态失速是立轴风力机低尖速比下运行时的必风力机低尖速比下运行时的必 然结果。然结果。 Gormont 模型是第一个用于风轮设计及性能分析的方法,该模型需要知道实际攻角值,和攻角的时间变化率,以及两个由实验决定的常数,实践证明该方法仅对一部分风轮有效,这是由于修正系数的不确定性造成的。Beddoes 发展了一个新的动态失速模型它基于对动态失速现象较深入的了解,因此比第一种方法更合理可靠,对攻角的时间变化率不敏感,目前该方法较普遍地应用于预估风轮的动态失速特性,但不足是也必须依赖于经验修正常数。ONEAR 于 1991年发展了一种新模型,在该模型中,用常系数线性微分方程用于描述升力和阻力系数的线性和