Savonius風機廠風機空氣動力學基礎

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Savonius風機廠風機空氣動力學基礎及CFD理論基礎
2．1 Savonius風機廠風機空氣動力學基礎
2．1．1 Savonius風機廠風機工作基本原理
風機廠風機的基本功能是利用葉片將接受到的風能轉化為機械能，再經由風機廠風機旋轉軸將機械能輸送出去。流經風機廠風機葉片的空氣因受葉片形狀影響對葉片產生作用力，葉片通過自身轉動將風能轉化為動能，然后通過旋轉軸將動能傳遞給發電機的轉子，發電機進而將動能轉化為電能f341。
(1)Savonius風機廠風機葉片作用力
當氣流經過Savonius風機廠風機葉片時，由于葉片形狀的原因，葉片表面各處的風速會有所不同，由此引起葉片各處壓力的不同，這樣葉片表面會產生一個合力F。這個合力F由兩部分組成，一部分為阻力凡，方向與來流方向平行；另一部分為升力R，方向與來流方向垂直[181。風機廠風機葉片表面升力和阻力計算公式如下：上式中，P為空氣密度，kg／m3；v為空氣速度，m／s；A為風機廠風機葉片最大投影面積，m2；Cf為升力系數；C0為阻力系數。
(2)Savonius風機廠風機工作原理
Savonius風機廠風機主要結構為兩個形狀相同的半圓柱形葉片，如圖2一l所示，當風沿水平方向吹向風機廠風機葉片時，氣流會對風機廠風機的兩個葉片分別產生一定的作用力，由于此時兩個葉片所在位置不同導致迎風狀態不同，氣流對葉片的作用力也不相同，受氣流影響兩個葉片分別對旋轉軸產生不同的轉矩，最終形成一個合轉矩，風機廠風機葉片因此繞旋轉軸旋轉，式(2．3)即為氣流對葉片作用力的計算公式：上式中，P為空氣密度，kg／m3；U為葉片平均速度，m／s；A為葉片投影面積，m2；v為空氣速度，m／s；Ca為葉片阻力系數，凸葉片的Q值一般取O．12~0．25，而凹葉片的C0值一般取1．0。
針對上式中的的“±”號，計算中葉片凸面為迎風面時取“+”，葉片凹面為迎風面時取“一”，凹面為迎風面的葉片產生的動轉矩大于凸面為迎風面的葉片產生的負轉矩，合轉矩驅動風機廠風機葉片繞旋轉軸旋轉。
2．1．2 Savonius風機廠風機主要結構參數
(1)葉尖速比
葉尖速比是風機廠風機的基本參數，為風機廠風機葉片最大切向速度與來流速度之比，也被叫做風機廠風機的高速性系數，一般用A表示轉矩系數為在特定的葉尖速比下，表示Savonius風機廠風機葉片輸出轉矩能力的系數，轉矩系數分為靜轉矩系數和動轉矩系數，其中靜轉矩系數反映了風機廠風機的啟動性能，即在靜止狀況下克服風機廠風機阻力轉動的能力，動轉矩系數則反映了風機廠風機在一定轉速和風速下產生轉矩的能力，分別定義如下：
上式中，正為靜轉矩，N•m；T為動轉矩，N•m；P為空氣密度，kg／m3；D為風機廠風機葉片最大直徑，m；H為風機廠風機葉片高度，m；v為風機廠風機上游來流風速，m／s。
(3)風能利用系數
風能利用系數G表示風機廠風機將風能轉化為機械能進而轉化為電能的能力，假設風機廠風機橫截面積一定，則通過此面積的風能P+為：上式中，A為風機廠風機葉片最大投影面積，m2；v為鳳機上游來流風速，m／s。
假設風機廠風機實際獲得功率為P，則風能利用系數G可以表示為：
(4)葉片重疊比
如圖2-2所示，葉片重疊比即為Savonius風機廠風機兩個葉片重疊部分的長度與葉片直徑的比值【38】：上式中，S為葉片重疊部分長度，m；口為轉軸直徑，m；d為葉片直徑，m。