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Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及CFD理論基礎(chǔ)
2．1 Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)
2．1．1 Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)工作基本原理
風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的基本功能是利用葉片將接受到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)由風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸將機(jī)械能輸送出去。流經(jīng)風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的空氣因受葉片形狀影響對葉片產(chǎn)生作用力，葉片通過自身轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后通過旋轉(zhuǎn)軸將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)進(jìn)而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能f341。
(1)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片作用力
當(dāng)氣流經(jīng)過Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，由于葉片形狀的原因，葉片表面各處的風(fēng)速會(huì)有所不同，由此引起葉片各處壓力的不同，這樣葉片表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合力F。這個(gè)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(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片表面升力和阻力計(jì)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(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片最大投影面積，m2；Cf為升力系數(shù)；C0為阻力系數(shù)。
(2)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)工作原理
Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)為兩個(gè)形狀相同的半圓柱形葉片，如圖2一l所示，當(dāng)風(fēng)沿水平方向吹向風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，氣流會(huì)對風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的兩個(gè)葉片分別產(chǎn)生一定的作用力，由于此時(shí)兩個(gè)葉片所在位置不同導(dǎo)致迎風(fēng)狀態(tài)不同，氣流對葉片的作用力也不相同，受氣流影響兩個(gè)葉片分別對旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩，最終形成一個(gè)合轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片因此繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，式(2．3)即為氣流對葉片作用力的計(jì)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(shù)，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(jì)算中葉片凸面為迎風(fēng)面時(shí)取“+”，葉片凹面為迎風(fēng)面時(shí)取“一”，凹面為迎風(fēng)面的葉片產(chǎn)生的動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于凸面為迎風(fēng)面的葉片產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，合轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
2．1．2 Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
(1)葉尖速比
葉尖速比是風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)，為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片最大切向速度與來流速度之比，也被叫做風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的高速性系數(shù)，一般用A表示轉(zhuǎn)矩系數(shù)為在特定的葉尖速比下，表示Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片輸出轉(zhuǎn)矩能力的系數(shù)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)分為靜轉(zhuǎn)矩系數(shù)和動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，其中靜轉(zhuǎn)矩系數(shù)反映了風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)性能，即在靜止?fàn)顩r下克服風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)阻力轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)則反映了風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速和風(fēng)速下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，分別定義如下：
上式中，正為靜轉(zhuǎn)矩，N•m；T為動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N•m；P為空氣密度，kg／m3；D為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片最大直徑，m；H為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片高度，m；v為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)上游來流風(fēng)速，m／s。
(3)風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)能利用系數(shù)G表示風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的能力，假設(shè)風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)橫截面積一定，則通過此面積的風(fēng)能P+為：上式中，A為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片最大投影面積，m2；v為鳳機(jī)上游來流風(fēng)速，m／s。
假設(shè)風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)實(shí)際獲得功率為P，則風(fēng)能利用系數(shù)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(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)兩個(gè)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(zhuǎn)軸直徑，m；d為葉片直徑，m。