雷诺数的物理意义（雷诺数对升力系数和阻力系数的影响）
风力发电机旋转的奥秘：叶片攻角与升力和阻力
我们已经知道让叶片旋转的力来自于升力，那么对于风力发电机升力的产生机理尚无定论，一种是相等通过时间假说，目前已经证明这个结论并不正确，还有一种被大众所接受的理论是环流解释。这些还有待于进一步研究，我们今天主要讨论风机叶片的雷诺数以及雷诺数对升力系数和阻力系数的影响
（2）雷诺数对升力系数和阻力系数的影响
雷诺数的概念
一个核心的概念是雷诺数,即
式中,l是特征长度,依惯例确定。对于管内流动的流体,l是指管的直径,对于敞开式的矩形槽,l是指液体截面面积和槽与流体相接触部分的周长之比;对于平板(翼型),l是指两边缘的间距;对于翼型,l是指弦长。
雷诺数是一个无量纲的数,用于描述流体何时从层流变为湍流。考虑如下的例子:
管道的直径为d,对于其中的流体,当
R<2300时,为层流
2300<R<4000 时,转化状态
R>4000时,为湍流
不论流体的类型、管道的尺寸及流速如何,流体状态均满足上式的条件
风雷诺数对升力系数和阻力系数的影响
风机叶片的雷诺数一般为1—10 000 000。雷诺数对于升力系数和阻力系数有着显著影响。雷诺数增大,则阻力系数降低,升力系数增加。
当α值较小时,阻力系数近乎不变,然后快速上升。雷诺数决定了流体在翼型的什么位置上形成湍流。当雷诺数增加时,从层流到湍流的转换点向靠近前缘移动。α值小时,边界层不产生分离现象。当α接近8°以后,如图所示。
出现分离现象且压强阻力迅速增加。这就是失速状态。通过维持较小的攻角,同时增大雷诺数,可以避免在风机的运行状态出现失速条件。
雷诺数与阻力的关系与直观感觉相悖:高雷诺数导致阻力减小。雷诺数较高时,(从层流到湍流的)转换点向前缘移动。这样应使边界层分离更靠近前缘,而产生更大的阻力。但实际情况恰恰相反。当转换点更接近前缘时,湍流更早产生,层间出现能量交换,这样使靠近翼型的表层流体获得更多能量。表层受到激发后,更能承受翼型表面的黏滞力和更大的压强,这样就导致分离点出现在后缘附近。
翼型的形状决定了上图所示的失速时升力曲线形状。翼型较厚、曲线平缓,则失速时升力的下降较为平缓。即失速点后的曲线的斜率绝对值较小。翼型较薄,则曲线斜率的绝对值较大,上图所示曲线也反映了这种情况。两者差异的原因在于分离点的位置。如果分离点出现在后缘,则失速平缓。相比之下,当分离点在中部或靠近前缘出现,则压强阻力突然上升。
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