Технологии / Техническое руководство
Подъёмная сила, сопротивление и коэффициенты сечения лопасти ветроустановки
Подъёмная сила и сопротивление представляют разложение аэродинамической силы относительно местного потока. Тяга ротора и движущая сила представляют её разложение в координатах ротора. Это разные разложения одной силы, поэтому одна лишь подъёмная сила не является крутящим моментом на валу или электрической мощностью.
Определяйте направления и опорные величины совместно.
Смысл коэффициента определяется плотностью, относительной скоростью, площадью и состоянием потока. Изменение опорной величины может изменить число, не меняя силу.
01 / Направления сил
Подъёмная сила направлена поперёк потока, а сопротивление — вдоль него.
В описании сечения сопротивление действует вдоль направления относительного воздушного потока, а подъёмная сила перпендикулярна ему в выбранной плоскости.
В описании сечения сопротивление действует вдоль направления относительного воздушного потока, а подъёмная сила перпендикулярна ему в выбранной плоскости. Знак подъёмной силы зависит от заданного положительного поперечного направления. Эти направления меняются при изменении направления относительного потока.
В объяснении NASA об аэродинамической силе используется это разложение относительно потока. Его не следует путать с вертикальной подъёмной силой в наземных координатах: направление подъёмной силы вращающегося сечения не обязано совпадать с какой-либо неподвижной осью площадки.
02 / Опорный масштаб
Коэффициенты получают делением силы на заданный масштаб.
Задайте динамическое давление q = 0.5ρW².
Задайте динамическое давление q = 0.5ρW². При опорной площади A силы сечения выражаются как L = qACl и D = qACd. Плотность задаётся в kg/m³, относительная скорость в m/s, площадь в m², что даёт силу в ньютонах.
Для двумерного сечения на единицу размаха соответствующий масштаб использует хорду c: L′ = qcCl и D′ = qcCd, в N/m. Полоса конечной ширины использует явно заданную ширину; её опорной площадью не является автоматически вся площадь диска ротора.
03 / Выбор площади
Опорная площадь влияет на коэффициент.
Одно и то же измеренное сопротивление, делённое на две разные опорные площади, даёт два разных значения Cd.
Одно и то же измеренное сопротивление, делённое на две разные опорные площади, даёт два разных значения Cd. NASA подчёркивает эту зависимость от площади. Поэтому сравнение коэффициентов требует согласования соглашений, а не оценки меньшего числа как изначально меньшего физического сопротивления.
Аналогично L/D = Cl/Cd только тогда, когда оба коэффициента используют одинаковые q и A. Отношение, составленное из несовместимых определений площади или скорости, не представляет это отношение сил.
04 / Иллюстрация
Расчёт силы требует принятых коэффициентов.
Рассмотрим иллюстративное q величиной 240 Pa и опорную площадь 0.05 m².
Рассмотрим иллюстративное q величиной 240 Pa и опорную площадь 0.05 m². Если Cl = 1.0 и Cd = 0.08, то L = 12 N и D = 0.96 N. Их отношение равно 12.5.
Все исходные данные условны. Результат не является силой сечения MARSTON или испытанной полярой. Он иллюстрирует масштабирование; коэффициентам по-прежнему нужны соответствующие геометрия, угол, число Рейнольдса и состояние поверхности.
05 / Проекция на направления ротора
Только соответствующая составляющая приводит к вращению.
Тангенциальная составляющая силы с учётом радиуса приложения вносит вклад в крутящий момент относительно оси ротора.
Тангенциальная составляющая силы с учётом радиуса приложения вносит вклад в крутящий момент относительно оси ротора. Составляющая по нормали к ротору оказывает иное воздействие. И подъёмная сила, и сопротивление могут входить в эти проекции в зависимости от местного направления набегания.
Большое Cl не даёт автоматически большого положительного движущего крутящего момента. Направление, сопротивление и рабочие условия остаются значимыми. Руководство по BEM связывает эти местные силы с балансом потока у ротора.
06 / Область коэффициентов
Поляра и Cp ротора описывают разные уровни.
Поляра сечения связывает аэродинамические коэффициенты с условиями, например углом атаки.
Поляра сечения связывает аэродинамические коэффициенты с условиями, например углом атаки. Cp ротора описывает границу учёта мощности по ротору. Одно не следует заменять другим лишь потому, что оба безразмерны.
Здесь не приводятся фактические Cl, Cd, сила или кривая коэффициента MARSTON. Эти соотношения объясняют расчёт местного потока без установления характеристик всей установки.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Относительный поток и угол атаки лопасти ветроустановки.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Число Рейнольдса лопастей малых ветроустановок и подобие потоков.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Аэродинамический срыв и отрыв потока на лопасти ветроустановки.
Продолжите рассмотрение данных сечения темами: поляры профиля и условия данных и переход в пограничном слое от ламинарного течения к турбулентному. Дополнительные термины о силе и моменте см. в темах: индуктивное и профильное сопротивление и аэродинамический момент и изменения опорной точки.
Общие сведения: NASA Glenn: направления подъёмной силы и сопротивления · NASA Glenn: общий масштаб коэффициентов и отношение сил · NASA Glenn: зависимость коэффициента сопротивления от опорной площади. Эти источники объясняют отраслевые принципы и отличаются от применимых документов продукции и проектов MARSTON.
Ключевые понятия и условия.
Рассматривайте каждую величину с её отсчётом, единицами и условиями. Общая зависимость не устанавливает значение для конкретной модели.
| Понятие / величина | Смысл / связь | Условия / пределы |
|---|---|---|
| q | 0.5ρW², Pa | Использует опорную относительную скорость сечения. |
| Cl | L/(qA), безразмерный | Нужно задать положительное направление и площадь. |
| Cd | D/(qA), безразмерный | Изменение A меняет численное значение коэффициента. |
| L′ и D′ | Сила на единицу размаха, N/m | Используйте хорду, а не площадь всего диска. |
| Составляющие в координатах ротора | Проекции силы на нормальное и тангенциальное направления | Их оси отличаются от осей подъёмной силы и сопротивления. |
Инженерные вопросы.
Всегда ли подъёмная сила вертикальна?
Нет. Её направление перпендикулярно заданному местному потоку в плоскости сечения.
Совпадает ли Cl сечения с Cp ротора?
Нет. Они представляют силу и мощность на разных уровнях.
Могут ли два значения Cd использовать разные площади?
Да; тогда их нельзя сравнивать как величины с одинаковой опорной базой.
Когда Cl/Cd равно L/D?
Когда оба коэффициента используют одинаковые динамическое давление и опорную площадь.
Создаёт ли вся подъёмная сила крутящий момент ротора?
Только соответствующая тангенциальная проекция вносит вклад в крутящий момент относительно этой оси.
Являются ли 12 N и 0.96 N фактическими силами?
Нет. Это результаты, полученные по условным исходным данным.
Технический запрос
Обсудите технический вопрос.
Подъёмная сила и сопротивление представляют разложение аэродинамической силы относительно местного потока. Для инженерного обсуждения укажите модель и применимые сведения о работе или конструкции.