Технологии / Техническое руководство
Относительный поток и угол атаки лопасти ветроустановки
Скорость воздуха, воспринимаемая движущимся сечением лопасти, отличается от скорости ветра, наблюдаемой с земли. Угол атаки относится к этому местному относительному потоку, поэтому его нельзя считывать прямо по направлению гондолы или неподвижной стрелке ветра.
Вычтите движение перед сравнением углов.
Используйте общую систему отсчёта для скоростей воздуха и сечения. Их векторная разность задаёт поток, воспринимаемый сечением; его ориентация относительно хорды задаёт угол атаки.
01 / Система отсчёта
Относительная скорость — разность векторов.
Пусть U — скорость воздуха, а v — скорость сечения, обе выраженные в одной инерциальной системе отсчёта.
Пусть U — скорость воздуха, а v — скорость сечения, обе выраженные в одной инерциальной системе отсчёта. Скорость воздуха относительно сечения равна W = U − v. Вычитание их модулей вместо векторов отбросило бы направление и в общем случае дало бы другой результат.
В объяснении NASA об относительной скорости ветер у земли отделён от движения воздуха относительно движущегося тела. Вращающаяся лопасть добавляет разную скорость сечения на каждом радиусе, поэтому расчёт должен относиться к определённому сечению, а не только к центру ротора.
02 / Местные составляющие
Вращение добавляет тангенциальную составляющую.
В упрощённом примере с согласованными направлениями выберите x вдоль положительного осевого воздушного потока и t вдоль положительного движения сечения.
В упрощённом примере с согласованными направлениями выберите x вдоль положительного осевого воздушного потока и t вдоль положительного движения сечения. Если U = (6, 0) m/s и v = (0, 8) m/s, то W = (6, −8) m/s в этих осях.
Модуль относительной скорости равен 10 m/s, а не 6 m/s и не 6 − 8 m/s. Эти условные значения не учитывают индукцию и другие движения. Они иллюстрируют векторную арифметику, а не работающую лопасть MARSTON.
03 / Направление потока
Угол требует указания опорной линии.
В этом примере острый угол между W и отрицательным тангенциальным направлением равен arctan(6/8), приблизительно 36.9°.
В этом примере острый угол между W и отрицательным тангенциальным направлением равен arctan(6/8), приблизительно 36.9°. Измерение от осевого направления даёт другой угол. Оба могут описывать один вектор при явном указании соглашений.
Поэтому для обозначения угла набегания нужны нулевое направление и знак. Положительное значение в одном соглашении о координатах лопасти не обязательно положительно в другом. При преобразовании координат физический вектор должен оставаться неизменным.
04 / Сопоставление с хордой
Угол атаки объединяет геометрию и поток.
В заданном двумерном соглашении для сечения угол атаки сопоставляет направленную местную хорду с W.
В заданном двумерном соглашении для сечения угол атаки сопоставляет направленную местную хорду с W. Если угол набегания φ и угол установки хорды β имеют общую опорную линию и знаки выбраны так, что α = φ − β, это соотношение представляет геометрическое вычитание.
Это не означает взаимозаменяемости угла установки, крутки и угла атаки. Заданная конструкцией геометрия может оставаться неизменной, пока φ меняется с потоком или вращением. И наоборот, изменение геометрической настройки меняет α только в сочетании с текущим относительным потоком.
05 / Три измерения
Модель сечения использует проекцию.
В объяснении OpenFAST о координатах профиля подъёмная сила, сопротивление и угол атаки сечения определяются по относительному потоку, спроецированному в местную двумерную плоскость.
В объяснении OpenFAST о координатах профиля подъёмная сила, сопротивление и угол атаки сечения определяются по относительному потоку, спроецированному в местную двумерную плоскость. Течение вдоль размаха остаётся частью более общей трёхмерной картины, даже когда модель сечения не представляет его явно.
Косой набегающий поток, деформация и индуцированные скорости могут менять местные составляющие. Простой пример с двумя составляющими не устанавливает их величины и не заменяет модель, учитывающую соответствующие движения и допущения о потоке.
06 / Смысл
Расчёт направления не является аэродинамической полярой.
Знание α само по себе не определяет подъёмную силу, сопротивление или мощность.
Знание α само по себе не определяет подъёмную силу, сопротивление или мощность. Эти величины также зависят от сечения и условий потока. Руководство по коэффициентам объясняет следующий физический этап.
Эта страница определяет геометрию местного потока, не задавая фактический профиль MARSTON, устройство установки угла лопастей, диапазон углов или закон управления. Существующее руководство по геометрии лопасти рассматривает отдельные величины чертежа.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Подъёмная сила, сопротивление и коэффициенты сечения лопасти ветроустановки.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Число Рейнольдса лопастей малых ветроустановок и подобие потоков.
Продолжите рассмотрение с помощью руководства: Теория элемента лопасти и импульса: сопряжение и допущения.
Дополните рассмотрение местного потока темами: плотность воздуха и определяющие её параметры окружающей среды и величины динамического и статического давления.
Общие сведения: NASA Glenn: относительная скорость и системы отсчёта · OpenFAST: местная плоскость профиля и проекция относительного потока. 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 |
|---|---|---|
| U | Скорость воздуха в выбранной системе, m/s | Сохраняйте направление и опорную базу. |
| v | Скорость конкретного сечения лопасти, m/s | Используйте ту же систему, что и для U. |
| W | U − v, относительная скорость воздуха | Разность векторов, а не вычитание модулей скоростей. |
| φ и β | Углы потока и хорды в заданных координатах | Согласуйте опорные системы перед вычитанием. |
| α | Угол между хордой и относительным потоком | Сам по себе не определяет силу. |
Инженерные вопросы.
Является ли скорость ветра у земли относительной скоростью сечения?
Обычно нет. Движение сечения и соответствующий индуцированный поток меняют относительную скорость.
Можно ли вычитать модули скоростей?
В общем случае нет: скорости нужно вычитать как векторы в общей системе отсчёта.
Почему скорость в примере равна 10 m/s?
Взаимно перпендикулярные составляющие 6 и −8 m/s дают √(6²+8²).
Равен ли угол установки углу атаки?
Нет. Угол атаки также зависит от местного относительного воздушного потока.
Является ли α = φ − β универсальной записью?
Только при совместимых, явно заданных угловых отсчётах и знаках.
Определяет ли это фактические углы модели?
Нет. Это объяснение координатного соотношения и условного примера.
Технический запрос
Обсудите технический вопрос.
Скорость воздуха, воспринимаемая движущимся сечением лопасти, отличается от скорости ветра, наблюдаемой с земли. Для инженерного обсуждения укажите модель и применимые сведения о работе или конструкции.