风力机空气动力试验

ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter1风力机空气动力试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter2•引言•风洞试验•风场试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter3•空气动力学发展史表明，没有试验研究就没有独立的这门学科。气动上的基本现象和原理都是通过试验逐步认识的，气动上的重大突破都是首先在试验上的突破；•气动理论分析和计算的结果，应经受试验检验或验证；•可以为各类工程、技术应用对象（飞行器、船舶、测量、建筑物、风力机等）提供可靠的空气动力特性数据。引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter4引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter5•研究的速度范围不断扩宽。亚音速风洞超音速风洞引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter6•研究的项目不断扩展，如气动力、压力分布、热特性测量、流动显示等。引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter7•应用对象不断扩大，由传统的航空航天领域逐步渗透到船舶、车辆、建筑、桥梁、生物、能源、气象、环保、化工、机械、农林业和体育等各个领域。引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter8空气动力试验一般采用模拟方法，即使用模型试验来模拟原型的物理现象。所谓模拟是指在一定的条件下用一个比较容易求得结果的物理现象来研究另一个遵循相同物理规律或数学规律的物理现象的方法。根据基本方法和设备的不同分为：•风洞试验法：利用相对运动原理，模型不动、气流运动;•携带试验法：将模型固定在可运动的设备上进行试验;•飞行试验法：试飞、海试、外场试验等。引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter9利用模型代替实物进行试验，必须解决的两个重要问题：•怎样保证模型试验和实物试验的流动现象相似？•怎样把试验结果应用到实际？相似理论论述了两种现象相似的充分必要条件，回答了如何正确选择相似准则。掌握相似理论，对指导试验和分析、处理、应用试验数据是十分重要的。引言ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter101、风洞基本概念•风洞是按特殊要求设计的、可产生可调节气流的特殊管道，由这个管道形成的模型流场能够模拟或部分模拟原型流场。•低速风洞：直流式、回流式、立式•亚音速风洞：Ma=0.4—0.8•跨音速风洞：Ma=0.8—1.4•超音速风洞：Ma=1.4—5.0•高超音速风洞:Ma=5.0—14风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter11低速直流风洞风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter12低速回流闭口风洞风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter13低速回流开口风洞风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter14风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter152、风洞流场品质•对于飞行于高空大气的飞机，其大气环境特点是：风速大小、方向一致、气压均匀、空气未被扰动（湍流度低）等。•对于风力机、建筑物等地面试验对象，其大气环境特点是：风速大小随高度改变有一定的变化、湍流度也较高。•风洞试验段中气流的这些特性的好坏称为流场品质。一般包括：动压场（速度场）、方向场（气流偏角）、湍流度等指标。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter163、风洞主要部件•试验段：是风洞中模拟原型流场进行模型气动试验的地方。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter17•扩散段：位于试验段或动力段后，减小气流速度，以减小风洞中气流能量损失。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter18•拐角及导流片：回流风洞中，气流需要折转360°。拐角及导流片起到平顺拐折气流的作用。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter19•动力段：安装有风扇及其附属设施（如整流罩、止旋片等）。用于向风洞内气流补充能量、保证气流维持一定的速度。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter20•整流装置：包括稳定段、蜂窝器、整流网等。其作用是切割风洞内大尺寸漩涡并使小漩涡衰竭，提高风洞内流场品质。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter21•收缩段：使来自稳定段的气流加速、并改善试验段气流品质。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter22•进气口、出气口：用于直流风洞向外界大气吸取和排除气流。•调压缝：在闭口风洞中保持风洞试验段内压力与外界大气基本相同。一般位于试验段与扩散段之间。风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter234、风洞试验流程•将试验模型固定于试验段中。•模型可以是专用模型或实物模型•需要有支撑装置支撑模型风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter24•在风洞中建立要求的流场•小型风力机一般按均匀流处理•大型风力机或建筑物需考虑大气边界层•测量相关数据•天平、压力传感器•转速仪、电流电压仪、负载等•数据修正与处理•洞壁干扰修正•转换系数风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter255、风洞试验特点•试验组织简单、成本低、周期短•试验环境简单，不需要考虑外场条件•气流人工建立，不需要“靠天吃饭”•测试条件完善，试验项目多•试验结果可靠、可重复性好•气流条件稳定，试验干扰因素少•便于建立统一的试验、评估标准•不适合进行与寿命等相关的长期试验•对试验对象尺寸有一定限制风洞试验——风洞ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter26流场模拟风力机风洞试验时，对风洞流场的要求同航空飞行器模型试验，一般在风洞中可不模拟大气边界层流场。风洞试验——相似条件ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter27模型模拟•几何相似•运动相似•动力相似风洞试验——相似条件ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter28运动相似风力机风轮模型和实物的叶尖速比相同，即式中V∞——来流速度；——风轮角速度；R为风轮半径；下标m、p——分别表示模型和实物。风洞试验——相似条件pmΩRVΩRVChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter29动力相似风力机风轮模型和实物的雷诺数相同，即式中u——叶尖线速度；——叶片的平均几何弦长；V——运动黏性系数。风洞试验——相似条件mpucuccChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter30叶片的平均几何弦长为式中A——风轮扫掠面积；B——叶片数；D——风轮直径。BDAc2风洞试验——相似条件ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter31叶尖线速度为当风洞介质为空气时，则风洞试验——相似条件2ΩDupmcucuChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter32设模型和实物的几何缩尺比为k，即和则即风洞试验——相似条件kccpmkDDpmpmcΩDcΩD21kΩΩpm2kΩΩpmChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter33•由上式可知：如果风力机模型和实物的比例取1:10，则要求模型试验时的风轮转速是实物运行的风轮转速的100倍。这时，为了保持风轮模型和实物的叶尖速比相同，要求模型试验时的风速是实物运行时的风速的10倍。风洞试验——相似条件ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter34•小型风力机模型缩尺比小，有的可以用实物进行试验，因此，运动相似和动力相似基本可以满足。但是，中大型风力机模型缩尺比大，如果要做到运动相似和动力相似，那么风轮的转速和风洞的风速都要很高，这时，不但要考虑空气压缩性的影响，而且给模型设计也带来许多困难。因此，在风洞试验中，只能做到近似地模拟，主要保证几何相似和运动相似。风洞试验——相似条件ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter35•翼型：风轮叶片（或机翼）剖面形状。•翼型对风力机的效率及叶片结构设计具有重要的意义。•风力机翼型风洞试验的主要目的在于：•获得翼型在不同Re数下的气动特性，主要包括：升力特性、阻力特性，还可包括俯仰力矩特性等。•获得翼型表面压力分布。•翼型试验是典型的二维试验。风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter36•一般在专用翼型风洞（二元风洞）中进行•高Re数试验也可在常规大尺寸风洞（三元风洞）中进行测试设备•天平：用于测量截断翼型模型的气动载荷•压力传感器：测量翼型表面或空间流场压力分布，通过积分获得翼型升阻特性•测压耙：用于支撑空间流场探头。风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter37•一般弦长不超过试验段高度的40%，大迎角时还应更小•一般采用木制模型，也可采用金属模型•模型适应测力或（和）测压试验要求•测力试验时，要求模型载荷必须通过天平传递•测压试验时，要求模型表面具备压力感受装置，如测压孔•需要消除模型的三维流动风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter38•模型气动载荷可以用内式天平、也可用外式天平测量•一般采用三段式模型进行•天平仅测量中间的模型的气动载荷•两侧的模型用于减小三维效应•三段模型能够同步变化迎角风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter39•用动量法可以获得翼型的升、阻特性，还可测量翼型表面压力分布•动量法测升力•当翼型受到升力作用时，风洞的上下壁面也受到大小相等、方向相反的作用力。沿上下壁面测量压强分布并积分即可求得翼型升力。21)(xxpuplybdxccc风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter40风洞试验——翼型试验ChinaAerodynamicsResearchDevelopmentCenter41•动量法测阻力•流过翼型的气流，在翼型后面形成尾流，翼型所受的阻力越大，尾流内气流的机械能越小。如果能测量出尾流内的流场，就可以用动量定理算出模型所受的阻力。wlxdyppppppppc20010201)1(风洞试验——翼型试验ChinaAerodynam