+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Крыло профиль жуковского для ветряка: Механика сплошных вторников: апреля 2016

Крыло профиль жуковского для ветряка: Механика сплошных вторников: апреля 2016

Содержание

Механика сплошных вторников: апреля 2016

Ветер крепчал, он забирался под камни, уносил за собой солому, листья и даже небольшие комья земли и отмечал ими свой путь, проносясь по полям. Воздух и небо потемнели, солнце отсвечивало красным, от пыли першило в горле. За ночь ветер усилился; он ловко пробирался между корнями кукурузы, и она отбивалась от него ослабевшими листьями до тех пор, пока он не вырывал ее из земли, и тогда стебли устало валились набок, верхушками указывая направление ветра.

Джон Стейнбек. «Гроздья гнева». Перевод Н. Волжиной

Как можно понять из эпиграфа, следующая страница истории ветроэнергетики была написана в Америке эпохи Великой депрессии. Её авторами стали два брата, Марцелус и Джо Джакобсы (Marcellus and Joe Jacobs). Братья были потомственными фермерами и работали на своём ранчо, но их привлекали новинки техники: электрическое освещение, утюги, водяные насосы и, конечно же, самый продвинутый тогдашний гаджет — радио.
Для всего этого добра требовалось электричество, которого негде было взять в богом позабытой Монтане, поэтому в 1920-м году на ранчо появился бензиновый генератор. Но и с ним были проблемы. Бензин можно было раздобыть только в городе, в сорока милях от ранчо. Транспорт-то был исключительно гужевой, автомобиль ещё не стал всеобщим достоянием даже в Америке, соответственно, подзаправиться надо было по дороге и не только лошади, в следствии чего дорога туда и обратно занимала трое суток. В общем, чувство неудовлетворённости не покидало предприимчивое семейство.

Взоры братьев обратились к уже знакомой нам водокачке Халладея, но она им не подошла. Генератор, имеющийся в их распоряжении, требовал для своей работы более высокой частоты вращения, чем могла ему обеспечить вертушка от водокачки. Тогда Марцелус, который в то время занимался ещё и воздухоплаванием, придумал приспособить на место ветряного колеса пропеллер от самолёта. У братьев были авиамоторы с пропеллерами, они даже использовали их в качестве двигателей аэросаней (Монтана находится на самом севере США, на границе  с Канадой).

Идея оказалась удачной, по результатам опытов остановились на трёхлопастном дизайне, а чтобы стабилизировать скорость вращения колеса, угол поворота лопастей устанавливался центробежным регулятором (решение, перешедшее от водокачки Халладея).

По всей видимости, это был первый работоспособный ротор ветряной турбины современного типа. Он уже включал в себя все необходимые опции: три лопасти с обтекаемыми поверхностями и узел управления их поворотом в ступице. Полезно сравнить его (на картинке вначале поста) с ротором турбины «Агрико». У Джакобсов уже всё по науке. В архивной статье NASA за 1973-й год сообщается, что первый трёхлопастной ротор был создан в 1927-м году. Конструкция оказалась настолько удачной, что братья построили пару десятков таких киловаттных ветрогенераторов, которыми снабдили соседние ранчо, а в 1928-м году основали свою собственную фирму. В 1932-м же году Джакобсы решили поставить бизнес на широкую ногу и перебрались в Миннеаполис, где построили фабрику. И это при том, что Великая депрессия уже вовсю разворачивалась.

Тут следует сделать отступление, чтобы сказать почему лопастей именно три штуки. Во-первых, это красиво. Не торопитесь говорить, что это уже не смешная шутка. В наше время так называемое «визуальное загрязнение» является вторым по значимости (после шума) препятствием для установки ветряной турбины. Трилистник же выгодно отличается своим эстетизмом от других конфигураций. Недаром известная автомобильная фирма выбрала своей эмблемой именно трёхлопастной пропеллер, хотя бывают и двух-, и четырёхлопастные и с большим количеством лопастей. Могли бы сделать ребрендинг, если бы с эмблемой было что-то не так, денег у них хватило бы. Впрочем, для турбины Джакобсов это обстоятельство не имело никакого значения.

Они руководствовались другими соображениями. Чем больше лопастей, тем больше энергии ветра они смогут зачерпнуть, но как мы помним из формулы Бетца, сколько бы не было у турбины лопастей, её мощность ограничена, причём не количеством лопастей, а их длиной (ометаемой ими площадью). Поэтому, по мере добавления лопастей вклад в мощность турбины каждой новой добавленной будет меньше вклада предыдущей. Для большей понятности рассмотрим конкретный пример.

Предположим, что у нас есть трёхлопастная турбина, её коэффициент эффективности — 0,45. Стало быть, средний вклад каждой из трёх лопастей равен:

0,45 / 3 = 0,15

Теперь добавим ещё семь лопастей. Если у них будет та же самая эффективность, то тогда суммарный коэффициент будет равен:

0,15 * 10 = 1,50

150% процентов эффективности. На самом деле, как мы помним, эффективность не может быть больше 0,593. То есть, эффективность 7 добавленных лопастей будет меньше, чем:

0,593 — 0,45 = 0,143

или 0,02 в среднем на каждую новую лопасть. То есть, мы имеем 3 лопасти по 0,15 и 7 лопастей по 0,02. При том, что все они одинаковые. Всё потому, что на этой площади работы припасено только для трёх лопастей. Поэтому разумнее будет сделать три ветряка с тремя лопастями и оставить себе ещё одну в запас, чем один ветряк с десятью лопастями.

У трёх ветряков по три лопасти у каждого суммарная эффективность будет равна:

0,45 * 3 = 1,35

а у одного с десятью лопастями не больше 0,593, т.е., в два раза меньше, чем у трёх трёхлопастных.

В этом примере использованы произвольные числа для удобства счёта, но смысл они не меняют. Из практики известно, что четвёртая лопасть может добавить всего несколько процентов в эффективности, поэтому четырёхлопастные турбины большой мощности не делают. Оговорка про мощность тут не случайна.

Хотя количество лопастей не делает погоду с точки зрения прироста мощности, но существенно уменьшает неоднородность потока воздуха за турбиной, что снижает шум от неё и уменьшает вибрацию. Поэтому, если стоимость лопастей вас не смущает, их можно побольше повтыкать, но если их стоимость сравнима со стоимостью всей турбины, то экономия вполне оправдана. С другой стороны, уменьшать количество лопастей до нуля тоже нельзя. Так, хотя с экономической точки зрения двухлопастные турбины сравнимы с трёхлопастными, но они динамически неустойчивы, производят много шума и в глазах рябят.

Ещё один момент, с которого и начались изыски Джакобсов. Чем меньше лопастей, тем быстрее вращается турбина, поэтому существуют даже однолопастные ветряки. Чтобы отобрать энергию у ветра, лопасть должна омести выделенную ей площадь за время, которое ветер проходит сквозь ветряк. Чем больше лопастей, тем меньший сектор достаётся каждой, тем на меньший угол должен повернуться ротор за тоже самое время, тем меньше скорость его вращения, и наоборот. В тоже время, большая скорость вращения тоже создаёт проблемы; возрастает центробежная нагрузка, концевые потери.

Вот такую задачу по оптимизации выполнили Джакобсы. Три лопасти — результат компромисса. При разных требованиях к турбине результат будет разным, три — не закон, но в большинстве применений три лопасти оказываются предпочтительней. Вернёмся, однако, назад, в Миннеаполис 30-х годов прошлого века.

За четверть века работы фабрика Джакобсов выпустила примерно два десятка тысяч ветряков мощностью от 1,5 до 3 киловатт, которые разошлись по всем континентам, включая Антарктиду. Адмирал Ричард Бэрд (Richard Evelyn Byrd) в 1934-м году взял в свою вторую антарктическую экспедицию 2,5 киловаттную мельницу Джакобсов. Летом 1934-35 гг. она обеспечивала станцию «Маленькая Америка» освещением и радиосвязью. Только в 1947-м году Бэрд вновь посетил «Маленькую Америку». Ветряк по прежнему вертелся наверху 70-ти футовой радиоантенны. Правда, мы знаем об этом со слов Бэрда… А что мы знаем о Бэрде? Он мог. Но, в любом случае, сезон мельница исправно отработала в жесточайших антарктических условиях.

И всё же костлявая рука Великой депрессия добралась до фабрики Джакобсов. В 1956-м году её пришлось закрыть. При том, что сама депрессия уже давно закончилась. В 1936-м году Франклин Рузвельт подписал «Акт об электрификации сельского хозяйства» (The Rural Electrification Act). Это была одна из мер по борьбе с депрессией. В соответствии с подписанным актом в сельской местности были организованы электрические колхозы (rural electrification cooperatives

), которые к концу пятидесятых годов подвели электричество к каждому ранчо. У мельниц исчез рынок сбыта, ведь электричество из розетки намного дешевле, удобнее и его больше.

Сами же Джакобсы не пропали, занявшись всякой другой техникой, в помощь тех же самых электрических колхозов, кстати сказать, некоторые из которых существуют до сих пор. В начале 70-х годов начинается возрождение ветроэнергетики, к нему подключились Марцелус и его сын Пол (Джо погиб в ДТП в 1963-м). В 1975-м году они продемонстрировали мельницу новой волны, улучшенную, рассчитанную на 10 киловатт мощности и снабжённую редуктором. Но были у ней и недостатки. Джакобсы начали отставать от времени. Более совершенная техника требовала больших усилий для своей разработки. В 1985-м году Марцелус тоже погибает, в ДТП, как и его брат. К тому же цены на нефть стремятся в низ… В низ пошла и новая волна ветроэнергетики.

Частный бизнес имеет большое преимущество в инициативе по сравнению с корпорациями, но наши недостатки суть продолжение наших достоинств как сказал кто-то из великих. Когда уходит человек, создавший фирму, очень трудно сохранить его эммм. … дух. Фирма Джакобсов вроде как существует до сих пор, но это уже совсем другая история.

Видео мельницы Джакобсов, изготовленной в 1948-м году и восстановленной в 2010-м.

Ещё кое-какие материалы по теме: http://www.jacobswind.net/history/additional-info

Профиль Жуковского крыла самолет — Энциклопедия по машиностроению XXL

На использовании подъемной силы основано действие крыла самолета. Теорию подъемной силы профиля крыла самолета разработал русский ученый Н. Е. Жуковский (1847—1921). Он установил, что течение около крыла самолета можно представить как  [c.150]

Итак, при обтекании крыла возникают два вихря разгонный и присоединенный. Подъемную силу создает присоединенный вихрь, причем величина ее на единицу длины крыла самолета определяется формулой (10.40), в которой Г обозначает интенсивность присоединенного вихря. По теории Жуковского, интенсивность вихря для крыла, имеющего профиль, показанный на рисунке 10.42, определяется формулой  [c.307]


Начав с экспериментальных исследований парения различных моделей, Н. Е. Жуковский дал в дальнейшем глубокую теоретическую разработку вопросов о подъемной силе крыла самолета, о форме профиля крыла, создал вихревую теорию гребного винта. Заслуги Н. Е. Жуковского в этом направлении получили мировое признание.  [c.104]

На заре развития авиации конструкторы и изобретатели применяли для крыльев самолетов профили в виде плоской пластинки. Работы Н. Е. Жуковского показали, что утолщение профиля и округление его передней кромки весьма полезны и улучшают его аэродинамические характеристики.  [c.313]

Отсутствие метода определения циркуляции скорости вокруг крыла затрудняло использование формулы Жуковского для практических расчетов. Эту принципиально важную задачу решил ученик и последователь Жуковского С. А. Чаплыгин [40] и почти одновременно с ним В. Кутта [41]. Начиная с 1910 г. Чаплыгин проводит цикл работ по теории крыла. В статье О давлении плоско-параллельного потока на преграждающие тела (к теории аэроплана) (1910 г.) Чаплыгин сформулировал положение (постулат Чаплыгина — Жуковского ), согласно которому при безотрывном обтекании профиля крыла потоком идеальной жидкости хвостовая точка профиля (точка заострения) является точкой схода потока с верхней и нижней поверхностей крыла. Этот постулат позволил вычислить циркуляцию скорости по замкнутому контуру, охватывающему профиль крыла, и тем самым определить подъемную силу по формуле Жуковского. В этой работе Чаплыгин изложил основы плоской задачи аэродинамики и дал формулы для расчета сил давления потока на различные профили крыла. Он впервые вывел общие формулы для силы и аэродинамического момента указал на наличие значительного опрокидывающего момента, действующего на самолет, и вследствие этого опасность потери устойчивости  [c. 287]

Н. Е. Жуковский сделал принципиальные открытия в новой науке — аэромеханике, являющейся теоретической основой авиационной техники. Ряд важных законов теоретической аэромеханики был установлен в трудах Жуковского. Он доказал основную теорему о подъемной силе профиля крыла, сформулировал гипотезу для подсчета циркуляции скорости вокруг крыла с острой задней кромкой, предложил серии теоретических профилей крыльев и разработал вихревую теорию воздушного гребного винта (пропеллера). Основные методы аэродинамического эксперимента и широко использованные конструкции аэродинамических труб в нашей стране были созданы под непосредственным руководством Н. Е. Жуковского. Он первый указал ка применения теоретической и экспериментальной аэродинамики к задачам расчета летных характеристик самолета. Аэродинамический расчет и динамика самолетов как самостоятельные научные дисциплины были начаты работами Жуковского. В. И. Ленин назвал Жуковского отцом русской авиации .  [c. 37]


Позднее Туполев писал В течение длительного времени под руководством Н. Е.Жуковского мы работали в аэродинамической лаборатории, проводя продувки сотен различных профилей крыла и компоновок самолета. И если после этого мы бы взялись за биплан, то это означало бы, что у Н.Е.Жуковского мы ровным счетом ничему не научились .  [c.8]

Работы Н. Е. Жуковского по аэродинамике были развиты трудами выдаюш.егося русского механика академика С. А. Чаплыгина (1869—1942). Отлично владея методами математического анализа и будучи аналитиком по складу своего творческого мышления, Чаплыгин предугадал в ряде работ последующее развитие технической аэродинамики. Ему принадлежат замечательные исследования по теории механизированного крыла (крыла с предкрылком, крыла со Ш.ИТКОМ), актуальность которых выяснилась лет через 15—20 после их опубликования. Еще в 1903 г. Чаплыгин создал метод изучения движения газов при больших дозвуковых скоростях, заложив основы плодотворного исследования широкого класса задач аэродинамики больших скоростей. В научно-технической литературе эта работа получила всеобщее признание лишь в 1935 г. Чаплыгин развил теорию профиля крыла самолета, указав на плодотворность применения к этим задачам методов теории функций комплексного переменного. Он является зачинателем нового раздела аэродинамики — теории крыла при ускоренных и замедленных движениях. Чаплыгин разработал оригинальную теорию решетчатого (или разрезного) крыла, нашедшую сейчас широкие применения в расчетах турбомашин.  [c.70]

В 1916 г. Альберт Энштейн выступил в роли авиационного конструктора и предложил новый профиль крыла самолета, который потом назвали кошачьей спиной [3]. Знаменитый физик предложил эту конструкцию, не познакомившись с хорошо известными в то время работами Н.Е. Жуковского (1906 г. — на русском и 1910 г. — на немецком языках), а также с уже применявшимися конструкциями и результатами экспериментов. Однако авторитет ученого был столь велик, что соответствующий самолет был построен. Испытания показали отвратительный результат, а летчики-испытатели были рады, что остались в живых.  [c.74]

На рис.12 показано обтекание профиля крыла самолета воздухом. Оказывается, скорость воздуха над крылом выше, чем Рис.12. Обтекание кръиш самолета.. ПОД ним. Это Приводит к тому, что над Пунктиром показан циркуляционный крылом давление оказывается меньше, поток, возникающий вокруг крыла, чем под крылом, из-за чего создается подъемная сила крыла самолета. Причину возникновения такого распределения скоростей первым объяснил Н.Е. Жуковский, который понял, что при движении вокруг крыла создается циркуляционный поток воздуха такой, что над крылом он соадывается с набегаюшим потоком, а под крылом вычитается из него.  [c.144]

Для профилей этого типа нет простого геометрического построения расчет даже для симметричных профилей весьма сложен 2. Профили обобщенного типа Жуковского содержат три независимых параметра, определяющих соответственно вогнутость, толщину и угол у задней кромки применяя этот метод, можно получить множество профилей, употребляемых для крыльев самолета. На фиг, 52 показаны некоторые типичные профили Жуковского и обсбщенного типа.  [c.60]

С середины ЗОх годов значительно возрос объем исследовательских работ в научных и учебных авиационных институтах. Большие исследовательские работы в области аэродинамики велись в Военно-воздушной инясенерной академии имениН. Е. Жуковского. Фундаментальные исследования, рассматривавшие проблемы аэродинамической компоновки крыла, его механизации и выбора крыльевых профилей и направленные на улучшение пилотажных характеристик монопланов при больших углах атаки, снижение величин посадочных скоростей самолетов и увеличение скоростей их полета, проводились в те годы С. А. Чаплыгиным, В. В. Голубевым, П. П. Красильщиковым и др. В работах И. В. Остославского, Ю, А. Победоносцева и других исследователей были развиты методы аэродинамического расчета и выбора параметров скоростных самолетов. На основе теоретических исследований и летных испытаний, интенсивно проводившихся сначала в ЦАГИ, а затем — с 1941 г. — в специализированном Летно-исследовательском институте, В. С. Пышновым и А. И. Журавченко была решена проблема штопора (неуправляемого вращательного движения самолета с опусканием его носовой части), а М. В. Келдышем (ныне президент Академии наук СССР), Е. П. Гроссманом и другими было проведено изучение так называемого флаттера (возникающего в полете явления самовозбуждающихся колебаний крыльев и хвостового оперения скоростных самолетов) и определены меры борьбы с ним. В это же время по результатам летных испытаний и лабораторных испытаний моделей широко  [c.343]


Первый метод расчета лопастей поворотнолопастной турбины, основанный на гипотезе цилиндрических сечений, был создан на основе развиваюш,ейся прикладной аэродинамики и заключался в использовании для определения возникаюш,их на лопастях сил теоремы Н. Е. Жуковского о подъемной силе на крыле. Этот метод, названный методом подъемных сил, был использован Н. Е. Жуковским и его учениками еще в 1910—1914 гг. для расчета лопастей гребных винтов, винтов самолетов и крыльев ветряков. Дальнейшее развитие метод подъемных сил получил в работах Г. Ф. Проскуры. Расчет лопастей по этому методу сводился к подбору из атласа для каждого цилиндрического сечения аэродинамического профиля, который по своим характеристикам (коэффициенты подъемной силы Су и профильного сопротивления J, найденным путем продувок в трубе, удовлетворяет заданным условиям.  [c.167]

Одной из весьма важных частей аэромеханики является теория крыла и винта самолета. Основы этой теории были заложены Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным. Последний в своей работе О газовых струях показал, что характер этой задачи аналогичен характеру задачи о движении жидкости и что для практических целей можно рассматривать воздух как несжимаемую жидкость. Дальнейшее развитие вихревой теории винтов принадлежит В. П. Вет-чинкину, М. В. Келдышу и др. Теорию профилей крыльев применительно к требованиям авиации разработали В. В. Голубев, Н. Е. Кочин и др.  [c.14]

Н. Е. Жуковский в 1911 г. 1 разработал теорию профилей, составленных из двух пересекающихся дуг окружностей, названный им профилями типа Антуанет, а также теорию обобщенных профилей типа Антуанет с закругленным носком и острой задней кромкой с углом X, отличным от нуля. Крылья с обобщенными профилями типа Антуанет, которые следует именовать обобщенными профилями Н, Е. Жуковского , широко применялись на самолетах и сыграли большую роль в развитии авиации. В иностранной литературе эти профили носят название профилей Кармана— Трефтца по имени ученых [13], которые в 1918 г. разработали такие профили, изученные проф. И. Е. Жуковским за семь лет до них.  [c.169]

Весьма существен тот факт, что единственной силой, действующей на профиль в плоскопараллельном безвихревом потоке идеальной несжимаемой жидкости, является перпендикулярная направлению набегающего потока илн, в обращенном движении, поперечная направлению движения профиля сила, которая может быть названа подъемной или поддерживающеей силон, так как именно эта сила обеспечивает подъем самолета в воздух, поддерживает его крыло прн горизонтальном полете. Подчеркнем отсутствие составляющей силы, направленной вдоль движения жидкости, или, что все равно, направления движения тела по отношению к жидкости, — силы сопротивления. Это представляет частный случай общего парадокса Даламбера. Теорема Жуковского подтверждает парадокс Даламбера для любого плоского безвихревого движения идеальной жидкости как при наличии присоединенных вихрей, так и при отсутствии их. Общее доказательство парадокса для пространственного течения будет дано в гл. VH.  [c.245]

В течение ряда лет, после получения Н. Е. Жуковским формулы подъемной силы J = Qoofl7циркуляции скорости Г (см. п. 3.5) вокруг профиля и методы расчета ее величины. В 1908 г. Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин сформулировали свой знаменитый постулат.  [c.343]

4.5. Вклад науки в решение проблемы вітровикористання

4.5. Вклад науки в решение проблемы ветроиспользования

Строительство ветряных мельниц на первом этапе основывалось лишь на многолетнем опыте. Мастера учили последующие поколения не по книгам, а в ходе практической работы. Отрабатывая формы и методы испытаний своих мельниц, они вносили в общее дело свой вклад, каждый успех или неудача служили примером для других, способствовали постепенному накоплению опыта.

В XVIII веке в Европе зарождается машинно-фабричное производство. Это послужило импульсом для развития науки и изобретательства, способствовало появлению научного подхода к решению проблемы ветроиспользования.

Переход от опытов к теоретическим выводам относят к началу XVIII века. Поскольку свойства земной атмосферы оказывают сильное влияние на движение тел в воздухе, важным шагом в решении проблемы ветроиспользования стали исследования в области физики атмосферы и метеорологии, которые проводил в середине этого столетия великий русский учёный М.В. Ломоносов. К концу XIX века в России уже функционировала сеть метеорологических наблюдений, организатором которой был инициатор применения математических и экспериментальных методов в метеорологии член-корреспондент Петербургской академии наук А. В. Клоссовский (1846– 1917). К этому же периоду относят и появление в более систематизированном виде теории ветродвигателя.

Решающее значение для всего последующего развития науки и техники имели работы Н.Е. Жуковского (1847–1921), С.А. Чаплыгина (1869–1942), Л. Прандтля (1875–1953) и многих других учёных-механиков по теории крыла, воздушного винта, пограничного слоя (1904, 1905, 1910).

В 1905 г. Н.Е. Жуковский раскрыл механизм возникновения подъёмной силы и вывел теорему, определяющую её количественно, в своей знаменитой работе «О присоединённых вихрях». Этими исследованиями были заложены основы аэродинамики как науки.

Введение в механику в широких масштабах опытного (экспериментального) метода – одна из крупных заслуг Н.Е. Жуковского. К.Э. Циолковский (1857–1935) и он одними из первых начали в России создавать аэродинамические трубы. Свою трубу, построенную в 1897 г., К.Э. Циолковский назвал «воздуходувкой». В 1902 г. Н.Е. Жуковским была построена в Московском университете одна из первых в Европе аэродинамических труб всасывающего типа. К 1910 г. в мире работали три первых аэродинамических института – Римский, А. Цама в Америке и Кучинский в России.

После появления в 1910 г. работ Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина начинается эпоха бурного развития теории крыла. Работы

Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869–1942)

Н.Е. Жуковского «О присоединённых вихрях» и «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», С.А. Чаплыгина

«О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела» и «К общей теории крыла моноплана» в сущности содержат все основные сведения о работе профиля крыла в несжимаемом газе.

Николай Егорович Жуковский (1847–1921)

Мало было исследований, которые привели бы к столь бурному развитию науки и нашли бы столько последователей, как эти работы Жуковского и Чаплыгина, долгие годы бывшие в центре аэродинамики. Все исследования по теории крыла и винта так или иначе связаны с этими работами.

В 1912 г. издаются «Теоретические основы воздухоплавания» Н.Е. Жуковского. В них подведен итог многочисленным результатам экспериментальных исследований, накопленных к тому времени, изложены работы, проводившиеся в русских аэродинамических лабораториях под руководством Н.Е. Жуковского и в зарубежных лабораториях под руководством Л. Прандтля (Германия), Г. Эйфеля (Франция), А. Цама (США) и др. Летом этого же года Н.Е. Жуковский послал экземпляры данного издания Л. Прандтлю, Г. Эйфелю (1832– 1923), С.К. Джевецкому (1843–1938) и другим учёным. Книга была высоко оценена иностранными учёными и в 1916 г. издана в Париже на французском языке в переводе С.К. Джевецкого.

Развитие авиации, огромный успех которой обязан творцу аэродинамики, крупнейшему русскому учёному Н.Е. Жуковскому, обеспечило условия для разрешения по-новому теоретических вопросов использования энергии ветра.

В 1914–1918 гг. Н.Е. Жуковский и его ученики В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Н.В. Красовский, Г.Ф. Проскура и другие впервые создают теорию ветродвигателей.

Теория и испытания крыла и винта самолёта применяются и к изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветровое колесо.

Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.

В 1920 г. Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы типа НЕЖ», где сделан

вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом. Аналогичные теории были разработаны позднее в России профессором Г.Х. Сабининым и в Украине харьковским ученым академиком АН УССР (с 1929 г.) Г.Ф. Проскурой (1876–1958).

Юрий Васильевич Кондратюк (1897–1942), он же Александр Игнатьевич Шаргей – наш соотечественник, один из основателей теоретической космонавтики, выдающийся механик и ветроэнергетик, изобретатель. Родился в Полтаве в семье студента Киевского университета Игнатия Шаргея и учительницы Людмилы Шаргей, окончил в 1916 г. с медалью 2-ю Полтавскую мужскую гимназию и в этом же году стал студентом механического отделения Петербургского политехнического института. В этом же году был призван на военную службу (на курсы прапорщиков одного из петербургских юнкерских училищ). В годы гражданской войны как офицер царской армии дважды насильно мобилизуется в белую армию и оба раза дезертирует из нее. При последнем побеге Шаргей лишается всех документов, оставшихся в штабе одной из частей деникинской армии (чем и была вызвана полная смена имени, отчества и фамилии).

Владимир Петрович Ветчинкин

Николай Валентинович Красовский

Григорий Харлампиевич Сабинин

Георгий Федорович Проскура

Ученые, внесшие значительный вклад в создание теории и проектирование ветродвигателей

Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.

Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.

В мире было немного учёных, занимавшихся аэродинамикой ветроколеса: в Германии – руководитель Геттингенской аэродинамической и испытательной лаборатории доктор Альберт Бетц, а также профессор Штутгартского университета Ульрих Хюттер, в США – известный аэродинамик Теодор фон Карман (1881–1963).

У.Хюттер запатентовал несколько десятков изобретений в области ветроэнергетики, опубликовал несколько десятков научных статей и докладов. Он разработал технику экспериментов с установкой дымовой шашки или трассера на лопасти и первый применил её в исследованиях. На конец одной из лопастей ветроколеса уста

навливалась дымовая шашка, которая при запуске поджигалась электрическим током. Уходящий за плоскость вращения спиральный дымовой след сбоку фиксировался на фото-, киноили видеоплёнку (рис. 4.24). Дешифровка снимков позволяла судить об эффективности работы ветроколеса в конкретные моменты времени, когда записывалась скорость ветра, измеренная на метеовышке.

Создание теоретических основ использования энергии ветра активизировало работу изобретателей и конструкторов. Ещё до революции российский изобретатель А.Г. Уфимцев, названный А.М. Горьким «поэтом технический мысли», разработал проект ветровой электрической станции (ВЭС), у которой 56 ветровых электрических установок (ВЭУ) с диаметром ветроколёс по 40 м на высоте 350 м над уровнем земли при скорости ветра 9 м/с должны вырабатывать мощность 100 МВт. Этот проект и в наши дни не утратил актуальности, к тому же строители давно уже сооружают объекты такой и даже большей высоты.

Во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г. запатентован ветродвигатель Дарье. В 1926 г. финский инженер Савониус сконструировал роторный, или карусельный, ветродвигатель. В Моравии эта конструкция была во многом улучшена Антонином Кунцем.

В начале 30-х годов в СССР впервые разрабатывалась ВЭС мощностью 2–25 тысяч кВт. До этого мощность таких станций в мире не превышала 100 кВт. Работа имела огромное государственное значение. В 1932 г. в конкурсе по проектированию сверхмощной ВЭС принимает участие Ю.В. Кондратюк (1897–1941).

Рис. 4.24. След дымовой шашки, установленной на конце одной из лопастей ветроколеса

В апреле 1933 г. экспертиза проектов ВЭС закончилась победой эскизных проектов Ю.В. Кондратюка и Украинского института промышленной энергетики (УИПЭ, г. Харьков). Получив напутствие наркома Г.К. Орджоникидзе, Юрий Васильевич приезжает в Харьков, где со своим коллективом работает над техническим проектом ВЭС параллельно с группой УИПЭ.

Летом 1934 г. академическая экспертиза рекомендует проект Кондратюка к строительству. Г.К. Орджоникидзе создаёт в Москве контору по строительству КрымВЭС, которая под научным руководством Юрия Васильевича разрабатывает рабочий проект небывалой станции. В 1936 г. началось её строительство на Ай-Петри. Ю.В. Кондратюк спроектировал ВЭС на 12 тыс. кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. После смерти Орджоникидзе эта работа была свёрнута.

В Советском Союзе под руководством профессора В.Н. Андрианова были теоретически разработаны и экспериментально проверены основные вопросы параллельной работы ВЭС с неветровыми электростанциями и энергосистемой. Под руководством профессора Е.М. Фатеева исследовались основы агрегатирования и методы рациональной эксплуатации ВЭУ. Под руководством профессора Н.В. Красовского и доктора технических наук Г.А. Гриневича изучались энергоресурсы ветра.

К середине 30-х годов XX столетия мировое сообщество уже располагало аэродинамическими профилями высокого качества для лопастей ветроколёс, установками, в которых можно было продувать различные модели ВЭУ, рядом научных учреждений, в которых разрабатывались и совершенствовались методы их расчёта и проектирования, что являлось хорошей основой для развития мировой ветротехники.

Microsoft Word — Лаб.практикум Ветроэнергетика для печати.doc

%PDF-1.7 % 1 0 obj > > > ] /ON [ 5 0 R ] /Order [ ] /RBGroups [ ] >> /OCGs [ 5 0 R ] >> /Pages 32 0 R /Type /Catalog >> endobj 2 0 obj >> endobj 3 0 obj > /Font > >> /Fields 144 0 R >> endobj 4 0 obj > stream application/pdf

  • HomeUser
  • Microsoft Word — Лаб.практикум Ветроэнергетика для печати.doc
    • 2015-02-10T12:27:14+02:00Soda PDF 72015-02-11T13:44:17+03:002015-02-11T13:44:17+03:00Soda PDF 7uuid:8e707fa1-eaeb-45c8-a782-5f3d36cf09a3uuid:b24eda8d-3a93-4697-b85b-98a1e8f5ebf4 endstream endobj 5 0 obj > /PageElement > /Print > /View > >> >> endobj 6 0 obj > stream x[ko7_]~

    18 HIT НИЧЕГО ПРАКТИЧНЕЕ ХОРОШЕЙ ТЕОРИИ. Чаплыгин

    18

    HIT НИЧЕГО ПРАКТИЧНЕЕ ХОРОШЕЙ ТЕОРИИ

    Природа — сфинкс. И тем она верней

    Своим искусом губит человека,

    Что, может статься, никакой от века

    Загадки нет и не было у ней.

    Тютчев

    В «Заметках о ветросиловых установках», опубликованных в XX томе Ленинского сборника, мы можем видеть, что В. И. Ленин уделял большое внимание и поднятому перед ним вопросу об использовании ветряных двигателей при осуществлении плана электрификации страны. Посылая на отзыв Г. М. Кржижановскому один из докладов по этому поводу, Владимир Ильич обращал особенное внимание на то место доклада, где говорилось, что, приложив к теоретическим исследованиям профессора Жуковского работу инженера-конструктора, «мы за десять лет можем получить в пять раз больше энергии, чем по проекту ГОЭЛРО, вне оазисов мощных станций».

    По расчетам профессора В. П. Ветчинкина, над нами проносится технически уловимой ветряной энергии примерно в сто раз больше, чем это нужно для покрытия всех энергетических потребностей нашей страны, тогда как вся технически уловимая гидроэнергия не покроет и половины потребностей.

    Причина этого заключается в том, что ветродвигатели, несмотря на свое тысячелетнее существование, до недавних нор в огромном большинстве пригодны были для выполнения лишь самых грубых работ — водоснабжения и помола муки, то есть таких работ, самый характер которых допускает приостановку работы двигателя в любой момент и любое число раз.

    Задача получения от ветродвигателя энергии, годной в первую очередь для приведения в действие сельскохозяйственных машин или станков в мастерских и для электрического освещения, надлежащим образом была разрешена только в нашей стране в связи с развитием авиации, установлением основных законов аэродинамики и с накоплением конструкторского опыта в области использования воздушных течений.

    Теоретическими исследованиями Жуковского для создания нового тина ветряных двигателей занимались в Кучине ученики Николая Егоровича — Григорий Харлампиевич Сабинин и Николай Валентинович Красовский.

    Красовский окончил авиационные курсы при МВТУ, будучи еще студентом училища, и пошел на войну 1914 года военным летчиком. Он отличался выдержкой и хладнокровием в военной обстановке. После демобилизации началась его работа в ЦАГИ по ветряным двигателям. Получив для опытов небольшой ветрячок американской системы, Красовский установил его на башне Аэродинамического института в Кучине, предполагая нагрузить двигатель водяным насосом.

    Однако американский ветрячок оказался негодным для этой цели. Красовский решил взять ветряк с зубчатой передачей Люберецкого завода. Для разработки метода нагрузки ветряка и метода измерений Николай Валентинович пригласил Сабинина.

    Сабинин, получив диплом инженера-механика, защитив отличный проект электрификации города Красноярска, в 1914 году был мобилизован как прапорщик запаса и послан на фронт. Когда Сабинин возвратился, Жуковский ему предложил заведовать аэродинамической лабораторией в Кучине, входившей в состав ЦАГИ.

    Для Сабинина, электрика по образованию, эта задача не представляла труда. Первые испытания были проведены зимой 1920/21 года. С этого времени и начались в Советском Союзе систематические исследования но ветряным двигателям, далеко опередившие все то, что было сделано в этом направлении за границей.

    Подобно тому как художнику само течение жизни приносит материал его поэтических созданий, Сабинин начинал творчески действовать везде, куда вовлекала его новая жизнь, запросы практики, народного хозяйства, бытовые нужды или культурные потребности человека. Истинный рыцарь техники, он готов был сражаться во имя ее совершенства с любым врагом. Видя, что Красовский никак не может найти способ регулировать двигатель, а возрождавшееся в Советской стране сельское хозяйство требует совершенного ветродвигателя, он немедленно занялся ветряками.

    При испытании ветряков в Кучине Сабинин обнаружил, что обычные анемометры — приборы для измерения скорости ветра — не годятся для этой цели. Тогда он начал изучать их и нашел, что действительная скорость ветра иная, чем показывают приборы. Создав теорию вращающихся анемометров, Сабинин указал, как измерять действительную скорость ветра. Эта теория была опубликована в первой книге научных трудов ЦАГИ, а через семь лет аналогичная работа появилась в Германии уже под фамилией О. Шренка с приложением диаграмм, кривые которых очень цохожи на кривые в диаграммах русского автора.

    Красовский отличался большой энергией и инициативой. Начав свою работу, по предложению Жуковского, с проектирования шестилопастного ветряного колеса, рассчитанного по «вихревой теории», Красовский вскоре сделался энтузиастом использования энергии ветра, посвятив всю свою жизнь исключительно этому делу.

    На основе теории Жуковского Красовский доказал преимущества быстроходных ветряных двигателей. Его работы определили основное направление деятельности в этой области. Одновременно Красовский изучил положение дела у нас с крестьянским ветряком. В результате появилась его статья статистического характера, показавшая, какое огромное значение имело использование энергии ветра в мукомольном деле. Неутомимо пропагандируя выгодность быстроходных ветряков, Красовский начал проектирование их, не видя, однако, хорошего решения регулирования.

    В это время как раз Сабинин в своей теоретической работе предложил регулировать работу ветряного двигателя при помощи стабилизаторов, прикрепленных к свободно сидящим на махах лопастям. Красовский ухватился за идею Сабинина и со свойственной ему энергией начал проектировать быстроходный стабилизаторный ветряк с лопастями в 2,5 метра диаметром. Скоро этот опытный ветряк начали строить. Когда была готова первая лопасть, конструкторы поднялись на башню, чтобы на ветру посмотреть, как будет поворачиваться лопасть при разных «углах атаки» под влиянием стабилизатора.

    Хотя проектировать размеры стабилизатора и его расстояние от лопасти пришлось наугад, лопасть послушно подчинялась стабилизатору. После этого успешного опыта ветряк был собран и поставлен на башне. Дождавшись умеренного ветра, решили пробовать. Красовский отпустил рычаг регулирования, стабилизаторы начали провертываться, лопасти плавно установились «на ход», ветряк начал медленно разворачиваться, увеличивая число оборотов, и стал работать с большой скоростью. Все шло отлично, и можно было поздравить друг друга с успехом.

    Но когда Красовский нажал рычаг остановки, к удивлению конструкторов, ветряк не остановился.

    Недоумевая, почему стабилизаторы не повертывают лопастей, конструкторы покинули башню и стали напряженно искать причину неудачи.

    Прошло несколько дней. Как-то, возвращаясь из Москвы в Кучино, Сабинину пришла в голову мысль: а не центробежные ли силы действуют на лопасть? Достав пз портфеля бумагу, тут же в вагоне Сабинин прикинул формулы и цифры. Оказалось, что центробежные силы не уравновешены, что они значительно больше аэродинамических сил, действующих на стабилизатор.

    Тут же пришла, однако, и мысль: на штанге, перпендикулярной к лопасти, поместить грузы, центробежные силы которых уравновешивали бы центробежные силы лопасти.

    В тот же день лихорадочно возбужденный Красовский в кучинских мастерских заказал штанги и грузы. Рабочие назвали их «огурцами». Это название так и утвердилось за ними.

    При испытании ветряка с грузами он послушно останавливался при нажиме рычага. И все испытания ветряка на кучинской башне прошли прекрасно.

    В это время газеты сообщили, что осенью 1923 года в Москве откроется первая сельскохозяйственная выставка. Красовский решил поставить на выставке новый ветряк с динамо-машиной. Предложение Красовского было принято Коллегией ЦАГИ. Отдел ветряных двигателей ЦАГИ немедленно приступил к делу. Были подобраны люди для проектирования; во главе стал Красовский и в качестве его помощника — Сабинин. Нелегкой была задача за два месяца небольшому коллективу спроектировать и построить ветроэлектрическую станцию с диаметром лопастей ветряка в 6 метров на башне 25 метров высоты!

    Ветряк ЦАГИ, получивший на выставке диплом первой степени, чрезвычайно заинтересовал начальника бакинских нефтяных промыслов. Он предложил построить опытный ветряк для промыслов мощностью до пятидесяти лошадиных сил.

    Расчеты показали, что надо строить ветряк с крыльями в 14 метров. Это небывалое предприятие осуществляется уже без Сабинина, которому поручено было проектирование ветросиловой лаборатории ЦАГИ.

    Осенью 1924 года началась сборка ветряка на нефтяной вышке в Баку. Руководил сборкой Красовский. Он сам вязал бревна для подъема наверх, первый лез туда, куда боялись лезть монтеры. Зараженные примером инженера, они скоро освоились с необычной для них работой на большой высоте.

    Все это время, пока строился ветряк, Красовскому пришлось вести аскетический образ жизни. Не было подходящего помещения для жилья, обстановки. Конструктор спал на голых досках, подстелив под себя газету и покрывшись солдатской шинелью, с которой он не расставался. Рабочие бакинских промыслов долго помнили этого инженера в старой студенческой фуражке, в шипели, в крестьянских кожаных рукавицах, с мешком защитного цвета за спиной, в котором хранились папки с чертежами и расчетами.

    В декабре 1924 года ветряк был собран, но еще без регулирующего устройства. Поэтому на ночь ветряное колесо закрепляли стальными канатами, чтобы ветряк «не ушел», если ночью поднимется ветер. Но вот однажды ночью разыгрался шторм необычайной силы; метель занесла железные дороги, движение поездов прекратилось. Ранним утром пешком, по пояс в снегу Николай Валентинович пробрался на промысел и увидел ужасную картину: под влиянием ураганного ветра и отсутствия регулирования ветряк оборвал восемь дюймовых стальных канатов и развил бешеную скорость, ветряное колесо не выдержало огромных центробежных сил и разлетелось на части, лопасти повисли на своих тягах.

    Происшествие не лишило конструктора мужества. Наутро он принимается за работу, и через месяц коллектив восстановил ветряк и сдал его приемочной комиссии нефтепромыслов.

    Самоустанавливающиеся ветряки ЦАГИ Чаплыгин назвал «настоящим промышленным двигателем» и заявил коллегии Кучинского института, заместителем председателя которой он был в то время:

    — Я считаю чрезвычайно большой заслугой то, что мы разрешили основную задачу о привлечении на службу промышленности нового большого источника энергии, мало привлекавшегося до сих пор к работе! Русская школа механики всегда следовала давнему правилу — нет ничего практичнее хорошей теории, и усовершенствование наших ветряков на основе теорий Жуковского, Сабинина и других исследователей является новым доказательством справедливости этого правила!

    Энергично поддерживая переход от классической механики к технической во всех своих выступлениях, во всей своей организационной и административной работе, Сергей Алексеевич сам оставался по-прежнему непревзойденным теоретиком.

    Новыми достижениями Сергея Алексеевича в первые послереволюционные годы явились две его работы: «Схематическая теория разрезного крыла аэроплана», опубликованная в 1921 году, и «К общей теории крыла моноплана», изданная в 1922 году.

    В «Схематической теории разрезного крыла» русский ученый первым указал на выгоду применения разрезного крыла и математически обосновал эту выгоду анализом обтекания разрезных профилей. Практически осуществили разрезные крылья иностранцы, следуя указанию Чаплыгина, данному еще в 1914 году в работе «Теория решетчатого крыла». В этой работе Чаплыгин указывал, что, «ставя перед собою задачу о решетке, он имел в виду хотя приблизительно решить вопрос о решетчатом крыле аэроплана, так как представляется довольно вероятным, что аэроплан с такого рода крыльями будет более устойчив при полете».

    Эта работа Чаплыгина оказалась полезною для теории турбин, колеса которых представляют собой решетки, и других машин.

    В новой работе по тому же вопросу Сергей Алексеевич приходит к общим формулам, позволяющим дать решение для разрезного крыла с произвольным числом перьев. В результате детального анализа полученных результатов автор заключает, что вырез делает крыло гораздо более устойчивым, но этот вырез должен быть в передней его части.

    В то время нигде и никем не ставился еще вопрос об улучшении аэродинамических свойств крыла путем добавочных частей, получивших впоследствии название предкрылков, закрылков, щитков.

    Таким образом, и эта работа Чаплыгина идет впереди своего времени и предвосхищает задачу механизации крыла, выдвигаемую скоростной авиацией.

    Во второй работе — «К общей теории крыла моноплана» Чаплыгин делает некоторые общие предложения, годные для любого профиля.

    Он детально изучает обтекание профилей, представляющих инверсию параболы и инверсию эллипса, и открывает две замечательные серии крыльев, называемых также крыльями Чаплыгина. Они отличаются от профилей Жуковского закругленной задней кромкой. Как показала экспериментальная проверка, профили такого типа имеют особые преимущества при больших скоростях полета.

    Анализ, развитый Чаплыгиным в этом разделе работы, приводит его к заключению, что толстый профиль выгоднее тонкого как для подъемной силы, так и для большей устойчивости. К этому указанию он возвращается несколько раз. Авиационная техника пошла по этому пути, и все самолеты проектировались с толстыми крыльями.

    Удивительная способность Чаплыгина выдвигать и разрешать теоретически те задачи, которые еще не были сформулированы авиационной техникой, отличает все его работы. Ни одна из них не пропала даром. Каждая оказывалась в свое время необходимой, и мимо каждой из них проходили инженеры и конструкторы при первом их появлении в печати.

    Такова судьба почти всех откровений человеческого гения.

    Именно потому, что исследования Чаплыгина опережали потребности мировой промышленности, мотивы научных изысканий Сергея Алексеевича остаются часто скрытыми от нас и даже специалистам-механикам представляются результатом глубочайших интуиции.

    Оценивая деятельность Чаплыгина в ЦАГИ, один из преданнейших учеников Жуковского писал:

    «Став во главе нашего института после смерти его основателя, Н. Е. Жуковского, Сергей Алексеевич, будучи сам глубоким теоретиком, уделил большое внимание созданию современной научно-экспериментальной базы.

    Речь шла о строительстве невиданных дотоле масштабов, при отсутствии сколько-нибудь подходящих прототипов и при наличии в то время больших трудностей во всяком строительстве.

    Взяв на себя руководство строительной комиссией и мобилизовав все имевшиеся в ЦАГИ силы, Сергей Алексеевич целиком отдался делу и с неиссякаемой энергией и исключительным вниманием ко всему, вплоть до мелочей, довел строительство до успешного завершения.

    Под его руководством коллектив ЦАГИ, состоявший целиком из молодых инженеров (самому старшему было не более тридцати пяти лет), в короткий срок создал весьма полный комплекс лабораторий. Это строительство выдвинуло ЦАГИ в первый ряд научно-исследовательских учреждений Европы и Америки. ЦАГИ получил наиболее мощные в мире аэродинамические трубы, опытовый бассейн с исключительно высокой скоростью движения тележки, первоклассную лабораторию для испытания материалов, оборудованную новейшими приборами и аппаратами, моторную лабораторию…

    Возможность для ЦАГИ решать задачу построения самолета во всей ее полноте, начиная с разработки аэродинамически совершенной схемы и кончая выпуском готовой машины, была обеспечена именно этим строительством, ведшимся под непосредственным руководством Сергея Алексеевича, строительством, в котором он проявил свой крупнейший организаторский талант…

    Это был наш подлинный университет, и руководителю его мы должны принести нашу глубокую благодарность».

    В этой справедливой и благодарной оценке ЦАГИ представлен учениками Жуковского как чисто авиационный научно-исследовательский институт. В процессе развития таким он действительно и стал, но Сергей Алексеевич в своей организационной деятельности последовательно осуществлял те широкие задачи, о которых он говорил, отстаивая проект ЦАГИ в Научно-техническом комитете и Госплане.

    Данный текст является ознакомительным фрагментом.

    Продолжение на ЛитРес

    Ветряки для выработки электроэнергии

    Ветродвигатель, ветряк
    двигатель, преобразующий энергию ветра в механическую работу.

    Теоретические основы работы ветряка заложены в 1914—18 Н.Е. Жуковским, который установил, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветряного двигателя, работающего без потерь, равен 0,593.

    В зависимости от основной части ветряка — ветроколеса — различали крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные.

    Виды

    Крыльчатые

    В наиболее распространённых крыльчатых лопасти ветроколеса (рис. 1, а) расположены перпендикулярно к горизонтальному валу и повернуты под углом к плоскости вращения ветроколеса, которая при работе должна быть перпендикулярна к направлению ветра.

    1. Схемы устройства ветряных двигателей: а — крыльчатый; б — карусельный; в — барабанный.

    Коэффициент использования энергии ветра крыльчатых — достигает 0,42, в среднем равен 0,30.

    Карусельные

    Карусельные ветряки имеют ветроколесо с вертикальным валом, ось которого параллельна лопастям (рис. 1, б). При работе такого ветряка лопасти, лежащие по одну сторону от вала, прикрывают ширмой. Эти двигатели тихоходны, имеют большой вес, их коэффициент использования не более 0,10.

    Двигатели, работающие по этому же принципу, но имеющие полуцилиндрические лопасти, закреплённые на вертикальном валу, называются роторными; их коэффициент использования энергии ветра достигает 0,18.

    Такое же устройство, как у карусельных двигателей, но с горизонтальным валом (рис. 1, в), имеют двигатели барабанного типа, обладающие теми же недостатками, что и карусельные (тихоходны и тяжелы).

    Рис. 2. Много лопастный ветряной двигатель мощностью 6,5 л. с. для подъёма воды поршневым насосом.

    Крыльчатые

    Крыльчатые — имеют ветроколесо, закреплённое на горизонтальном валу, вращающемся в 2 подшипниках, смотированных в головке.

    Вращение ветроколеса передаётся вертикальному валу через пару конических шестерён (верхний редуктор). Головка может поворачиваться вокруг вертикальной оси и монтируется на башне, высота которой должна быть достаточной для выноса ветроколеса выше окружающих препятствий.

    У основания башни вертикальный вал соединяется с нижним редуктором, от которого приводятся в действие машины, потребляющие энергию. Установка ветроколеса на ветер производится давлением ветра на хвост, а у очень мощных — вспомогательными ветрячками — виндрозами, горизонтальный вал которых перпендикулярен валу главного двигателя.

    Виндрозы, вращаясь, поворачивают головку через зубчатую передачу до тех пор, пока сами не выйдут из-под ветра, поставив под ветер, ветроколесо.

    Мощность ветряка изменяется пропорционально кубу скорости ветра и ограничивается при высоких скоростях ветра (8—14 м/сек) с помощью регулирующих механизмов. У современных применяется автоматическое регулирование скорости вращения выводом ветроколеса из-под ветра или поворотом его лопасти (или части её) около оси маха крыла.

    Мощность крыльчатых не зависит от числа лопастей, а зависит только от диаметра ветроколеса, профиля и формы лопастей. Многолопастные (рис. 2) имеют большой начальный вращающий момент, но тихоходны. Ветряки с малым числом лопастей (рис. 3) имеют малый вращающий момент и быстроходны.

    Наиболее распространены двигатели с мощностью от 3 до 30 квт. В отдельных ветроэлектрических станций достигают мощности в сотни киловатт. Основным препятствием к широкому применению является непостоянство силы ветра по времени, приводящее к необходимости производства продукта в запас (помол зерна, заготовка кормов, пиломатериалов и др., подъём воды в водонапорную башню) или запасания энергии в электрических аккумуляторах, которые дороги и применяются только в установках малой мощности. Применение ветродвигателей целесообразно в районах, удалённых от электрических сетей (села, Арктика и др.).

    Ветроэлектрическая станция

    Ветроэлектрическая станция — силовая установка, в которой энергия ветра преобразуется в электрическую. Состоит из ветродвигателя, электрического генератора и сооружений для их установки и обслуживания. Обычно применяется при отсутствии электрической сети.

    Ветряные станции постоянного тока строятся с аккумуляторными батареями, которые не только запасают энергию на время безветрия, но и выравнивают напряжение. Ветряки, работающие на переменном токе, имеют резервный тепловой двигатель, который, работая параллельно с ветродвигателем, дополняет энергию при слабых ветрах и полностью воспринимает нагрузку при штиле.

    Для поддержания постоянства напряжения генератора переменного тока регулируют скорость вращения ветродвигателя и генератора, а также применяют электрический регулятор напряжения. Генератор чаще устанавливается на уровне земли; это облегчает обслуживание, но связано с дополнит, потерями энергии на трение в передаточных механизмах. В некоторых установках вал ветроколеса через редуктор, повышающий скорость вращения, вращает вал электрического генератора, установленного внутри головки ветряного двигателя.

       «Прикол» заключается в том, что Вы можете построить любой из 26 профилей NACA, приведенных в таблице. Ничего кроме циркуля и линейки не понадобится! Для этого нужно знать, что «хорда» — это максимальная ширина профиля. Все размеры даны, именно, от нее. Мне кажется, что это здорово!

      Но оставим в покое профиль лопасти. Любой аэродинамический профиль будет работать лучше, чем плоская и тонкая пластинка. Одни будут работать значительно лучше, другие – почти так же. О том, как это работает пойдет речь дальше. А сейчас – об угле атаки лопасти и как его рассчитать.

        Шаг винта, или уголы наклона (атаки) сечений лопасти.

    С углом атаки проблем меньше всего. Он легко считается и зависит только от радиуса и шага. Геометрический шаг винта – это расстояние, которое пройдет винт за один оборот в плотной среде, типа мягкого сливочного масла или маргарина. Аналогично для любого сечения лопасти. Графически это может выглядеть так.

      Угол наклона сечения лопасти это arctg от отношения геометрического шага к длине окружности, которую оно описывает. Данные, в таблице справа, именно так и посчитаны.
      Хорошая статья о расчете ветроколес была написана Евгением Васильевичем Бойко (sam-stroy.info). На редкость короткое и хорошее изложение материала. Поэтому, двинемся дальше.

        Попробуем рассчитать геометрический шаг ветроколеса.

      А теперь сложим то, что мы уже знаем. Попробуем рассчитать шаг трех лопастного ветроколеса, диаметром 1 метр, для скорости ветра 10 м/с.

      Трех лопастное ветроколесо имеет коэффициент быстроходности 5. Значит кончики лопастей будут двигаться со скоростью 10м/с*5 = 50м/с. Длина окружности – 3,14м, значит угловая скорость 50м/с / 3,14м = 16 об./сек. За одну секунду лопасти сделают 16 полных оборотов. За то же время, они пройдут в воздухе — 10 метров. Поэтому геометрический шаг лопастей должен быть 0,625м. В нашем случае, геометрический шаг винта не зависит от скорости ветра. Поэтому пересчитав для 5м/с и 20м/с – получим тот же результат, 0,625м. Шаг увеличится только если увеличить размер ветроколеса. Так, для диаметра 2м., расчетный шаг — 1,25м.

      Не может быть все так просто, скажете Вы. Здесь что то не то.

      Действительно, расчет правильный, а результат не верный. Просто мы не все учли. Но это дело легко поправить : )

      Прежде всего, воздух не мягкое масло, даже не маргарин. В связи с малой плотностью воздуха лопасти ветроколеса в нем проскальзывают. Для самолетов, это называется поступью воздушного винта. Считается это тяжело, но важно знать, что с увеличением нагрузки на ветроколесо проскальзывание увеличивается.

      Второе. Наш расчет основан на неправильной модели. Мы считали, что лопасть режет воздух, как нож масло. То есть, если на метровое ветроколесо с шагом 0,625м, которое принудительно вращается со скоростью 16 об./сек, подать поток воздуха со скоростью 10м/с, то оно будет прекрасно вращаться, нарезая воздух как ломтики масла. Идиллия нарушается тем, что при этом никакой работы производится не будет (не считая потерь на трение).

        Ищем ошибку и корректируем расчет.

      Ошибка (неточность:) заключалась в том, что воздух за ветроколесом не останавливается. Он продолжает двигаться, хоть и немного медленнее. С этой разницы скоростей и получается энергия, которая вращает  ветроколесо. Таким образом, ветроколесу, совершенно безразлично какая скорость воздушного потока «на него набегает». Его будет интересовать только разница до и после.

        Скорость воздушного потока за абстрактным ветроколесом.

      В начале попробуем «списать» правильный результат. Для этого ищем одну из ключевых фраз в теории ветродвигателей. Она будет приблизительно такая — «Режим оптимальной работы ветроколеса (максимальное КПД) достигается тогда, когда скорость воздушного потока за ветроколесом составляет ОДНУ ТРЕТЬ от скорости ветра».

       Быстренько пересчитаем шаг винта под новую скорость. На входе — Vвх=10м/с, на выходе Vвых = Vвх / 3 = 10м/с / 3 = 3,(3)м/с. Разницу до и после — 6,(6)м/с ветроколесо проходит за 16 оборотов. Значит шаг лопасти должен быть — 0,42м.

       Но, опять же, при шаге 0,42м и 16 об./сек, лопасть нарезает воздух как масло и никакой полезной работы не производит.

       Перечитываем теорию. Там написано, что то типа — «При оптимальной работе лопасти, осевое смещение сечения должно равняться одной третьей скорости ветрового потока». Человеческим языком это означает, что шаг лопасти необходимо рассчитывать из расчета одной третьей скорости ветра.

       Таким образом, для нашего ветряка, шаг должен быть 0,21м.

         На практике.

       На практике лопасти, шаг которых выбран из расчета одной третьей от скорости ветра, работают достаточно хорошо. Здесь речь идет о тонких профилях, которые используют кинетическую энергию набегающего потока воздуха. Такие ветроколеса можно отнести к классу медленно вращающихся. Человеческим языком это означает, что ветроколесо, которое мы рассчитали, при скорости ветра 10м/с будет вращаться медленнее, чем 16 об./сек. На это есть много причин, но главная из них — профиль сечения лопасти. Что бы увеличить скорость вращения и одновременно Коэффициент Использования Энергии Ветра, необходимо применить профильные лопасти. В них профиль сечения немного напоминает профиль крыла самолета.

      Только не надо думать, что я изготавливаю лопасти из сплошного куска дерева или пластмассы. Все значительно проще. Это пустотелые лопасти. Сечение похоже на сечение №7 (рис. вверху). При этом, полукруглая часть профиля сформирована из тонкого пластика, нижняя — из прозрачной клеящей ленты, в быту называемой «скотч». От того, как сильно натянута лента, зависит радиус скругления верхней части профиля. Фотографии таких лопастей будут на следующих страницах.

      Почему я применяю объемные лопасти? Причина очень простая. У них выше КПД или КИЭВ. Для плоской лопасти (1 или 4) этот коэффициент около 15% (совпадает с КПД паруса яхты). Для объемных лопастей, он может достигать 30 — 40%. Что бы понять, откуда берется такая разница, необходимо иметь минимальное представление об аэродинамике и о том, как работает крыло самолета. Опять же. Если мне удастся обойтись минимумом формул, то я попробую рассказать об этом на следующей странице.

    Продолжение.

    P.S.

      Отличный материал о ветроустановках найден на сайте Томского Политехнического Университета (tpu.ru). Теория и расчет описаны как учебное пособие для ВУЗ-ов. Найдено на страничке канд.тех.наук Матвеевой Анастасии Александровны. Учебное пособие (Gorodov R.V. Renewable energy sources.)- в котором, при наличии времени, легко разобраться или в популярной форме.

      Очень коротко о воздушных винтах (хоть и для самолета) можно прочитать в статье «Практическая Аэродинамика»  на сайте aerochayka.ru

    % PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > эндобдж 24 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 26 0 объект > эндобдж 27 0 объект > эндобдж 28 0 объект > эндобдж 29 0 объект > эндобдж 30 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 32 0 объект > эндобдж 33 0 объект > эндобдж 34 0 объект > эндобдж 35 0 объект > эндобдж 36 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 38 0 объект > эндобдж 39 0 объект > эндобдж 40 0 объект > эндобдж 41 0 объект > эндобдж 42 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 45 0 объект > эндобдж 46 0 объект > эндобдж 47 0 объект > эндобдж 48 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 50 0 объект > эндобдж 51 0 объект > эндобдж 52 0 объект > эндобдж 53 0 объект > эндобдж 54 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 56 0 объект > эндобдж 57 0 объект > эндобдж 58 0 объект > эндобдж 59 0 объект > эндобдж 60 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 62 0 объект > эндобдж 63 0 объект > эндобдж 64 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 66 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 68 0 объект > эндобдж 69 0 объект > эндобдж 70 0 объект > эндобдж 71 0 объект > эндобдж 72 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 74 0 объект > эндобдж 75 0 объект > эндобдж 76 0 объект > эндобдж 77 0 объект > эндобдж 78 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 80 0 объект > эндобдж 81 0 объект > эндобдж 82 0 объект > эндобдж 83 0 объект > эндобдж 84 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 86 0 объект > эндобдж 87 0 объект > эндобдж 88 0 объект > эндобдж 89 0 объект > эндобдж 90 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 92 0 объект > эндобдж 93 0 объект > эндобдж 94 0 объект > эндобдж 95 0 объект > эндобдж 96 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 98 0 объект > эндобдж 99 0 объект > эндобдж 100 0 объект > эндобдж 101 0 объект > эндобдж 102 0 объект > эндобдж 103 0 объект > эндобдж 104 0 объект > эндобдж 105 0 объект > эндобдж 106 0 объект > эндобдж 107 0 объект > эндобдж 108 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 110 0 объект > эндобдж 111 0 объект > эндобдж 112 0 объект > эндобдж 113 0 объект > эндобдж 114 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 116 0 объект > эндобдж 117 0 объект > эндобдж 118 0 объект > эндобдж 119 0 объект > эндобдж 120 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 122 0 объект > эндобдж 123 0 объект > эндобдж 124 0 объект > эндобдж 125 0 объект > эндобдж 126 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 128 0 объект > эндобдж 129 0 объект > эндобдж 130 0 объект > эндобдж 131 0 объект > эндобдж 132 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 134 0 объект > эндобдж 135 0 объект > эндобдж 136 0 объект > эндобдж 137 0 объект > эндобдж 138 0 объект > эндобдж 139 0 объект > эндобдж 140 0 объект > эндобдж 141 0 объект > эндобдж 142 0 объект > эндобдж 143 0 объект > эндобдж 144 0 объект > эндобдж 145 0 объект > эндобдж 146 0 объект > эндобдж 147 0 объект > эндобдж 148 0 объект > эндобдж 149 0 объект > эндобдж 150 0 объект > эндобдж 151 0 объект > эндобдж 152 0 объект > эндобдж 153 0 объект > эндобдж 154 0 объект > эндобдж 155 0 объект > эндобдж 156 0 объект > эндобдж 157 0 объект > эндобдж 158 0 объект > эндобдж 159 0 объект > эндобдж 160 0 объект > эндобдж 161 0 объект > эндобдж 162 0 объект > эндобдж 163 0 объект > транслировать xV [kQ * hz * Km ^ @) 4M7i̥ ݴ VP (̙n ( J8̙77 ‘# y 86 嵳 wr ع q: W?> _ ^ Mm1} s 鴧 ^ AΝ ~ rơqjҘtN = J).j4

    Численное решение связанной задачи динамики и аэродинамики ротора ВЭУ

    1. Абрамовский Э. Р. Аэродинамика ВЭУ, 220 с. (ДГУ, Днепропетровск, 1987).
    2. Белоцерковский С.М., Васин В.А., Локтев Б.Е. Построение нестационарной нелинейной теории подъемного ротора. Изв. Акад. АН СССР, мех. Жидк. Газа, № 5, 97–101 (1979).
    https://doi.org//10.1007/BF01409813
    3. Белоцерковский С.М., и Ништ М. И. Разделенное и неразделенное течение идеальной жидкости через тонкие крылья, 352 с. (Наука, М., 1978).
    4. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К. Аэродинамические характеристики летательного аппарата и крыла при дозвуковых скоростях потока, 424 с. (Наука, М., 1975).
    5. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г. Крыло в нестационарном потоке газа, 352 с. (Наука, М., 1971).
    6. Бим Р. М., Уорминг Р. Ф. Неявная факторизованная схема для сжимаемых уравнений Навье-Стокса.Ракетная техника и космонавтика, 16 (4) 145-156 (1978).
    https://doi.org//10.2514/3.60901
    7. Деркач П. Х., Городько С. В. Обертывание гребного двигателя осесимметричным потоком несжимаемой идеальной жидкости // Деп. в ВИНИТИ 14.04.87; № 2599-В87, 10 л. (Днепропетровск, 1987).
    8. Джонсон В. Теория вертолетов, Vol. 1, 578 с. (Мир, М., 1983).
    9. Жуковский Н.Е. Вихревая теория воздушного винта. Vol. 4, 395-612 (т. 1-7; т.4) (Гостехиздат, М., Ленинград, 1950).
    10. Жуковский Н. Е. Вихревая теория лобового сопротивления. Vol. 4, 271-298 (т. 1-7; т. 4) (Гостехиздат, М., Ленинград, 1950).
    11. Завадовский В. К. и др. Пропеллеры, 324 л. (Судостроение, Ленинград, 1983).
    12. Колган В. П. Применение принципа минимальной производной при построении разностных схем для численного анализа разрывных решений в газовой динамике. Ученые записки ЦаГИ, 3 (6), 68-77 (1972).
    13. Кравец А.С. Характеристика авиационных профилей, 332 с. (Оборонгиз, М., Ленинград, 1939).
    14. Моди В. Дж., Акуцу Т. Эффекты ограничения стенкой для сфер в диапазоне чисел Рейнольдса 30–2000. Теор. основы инж. расчетов, 196 (1), 138–146 (1984).
    https://doi.org//10.1115/1.3242407
    15. Пройсс Р. Д., Сучиу Э. О., Морино Л. Нестационарная потенциальная аэродинамика роторов в применении к горизонтально-осевым ветряным мельницам. Ракетная техника и космонавтика, No.5, 44-53 (1980).
    16. Сабинин Г. Х. Теория и аэродинамический расчет ветряных двигателей, 71 с. (ЦаГИ, М., 1931).
    17. Стегер Дж. Л. Неявное конечно-разностное моделирование обтекания произвольной двумерной геометрии. Ракетная техника и космонавтика, 16 (7), 51-60 (1978).
    https://doi.org//10.2514/3.7377
    18. Флетчер К. А. Дж. Вычислительные методы гидродинамики, Vol. 1, 501 с .; Vol. 2, 552 с. (Мир, М., 1991).
    https://doi.org//10.1007/978-3-642-58239-4_1
    19. Чорин А. Дж. Численный метод решения задач вязкого течения несжимаемой жидкости. J. Comput. Phys., 2, 12-26 (1967).
    https://doi.org//10.1016/0021-9991(67)
    -X
    20. Фрауд Р. Э. В: Транзакция: Институт военно-морских архитекторов, 30, 330 с. (1889 г.).
    21. Хартен А. Схема высокого разрешения для вычисления решения гиперболических законов сохранения изнашивания. J. Comput. Phys., 49, 357-393 (1983).
    https://doi.org//10.1016/0021-9991(83)

  • -5
    22.Прейсс Р. О., Суссиу Э. О., Морино Л. Потенциальный аэродинамический анализ горизонтально-осевых ветряных мельниц. Бумага AIAA, № 132, 1132-1140 (1977).
    23. Ранкин В. И. М. В кн .: Институт корабельных архитекторов, 6, 13 с. (1865).
    24. Уилсон Р. Э., Зиссаман Р. Б., Уокер С. Н. Аэродинамические характеристики ветряных турбин, 194 с. (Вашингтон, 1976 г.).
    https://doi.org//10.2172/7315651

    Что такое аэродинамика? | Вычислительная гидродинамика

    Аэродинамика — это наука о движущемся воздухе и его воздействии на твердые тела, помещенные в поле потока в качестве препятствия.Поскольку это подполе, большинство уравнений гидродинамики применимы и к аэродинамике, включая все основные уравнения, турбулентность, теорию пограничного слоя и предположение об идеальном газе.

    История

    Хотя ветер уже широко использовался человечеством как инструмент (ветряные мельницы, парусники), начало научных исследований аэродинамики относится только к семнадцатому веку. Мечта о полете и о машине «легче воздуха» была уже в древней истории.Самые ранние попытки описать величины потока появляются в работах Аристотеля и Архимеда; однако научная область «аэродинамика» не фигурирует в их заметках.

    Самым первым специалистом по аэродинамике был сэр Исаак Ньютон, который разработал и описал теорию сопротивления потоку, также известную как сопротивление. Другие известные ученые, такие как Бернулли, Эйлер, Навье и Стокс, дали более точное и математически обоснованное описание газовой динамики. Знаменитые управляющие уравнения гидродинамики Навье-Стокса родились в 1800 году, однако это также самая сложная модель для решения.

    Стремление к полету всегда было главной движущей силой развития инженерной области аэродинамики. В начале 1800-х инженеры и ученые изучали аэродинамические силы полета. Родились такие термины, как «сопротивление», «подъемная сила» и «тяга», и были определены отношения между ними. В 1871 году была построена первая аэродинамическая труба. Теории сопротивления были созданы такими инженерами, как Кирхгоф и Рэлей. Отто Лилиенталь был первым человеком, добившимся успеха в полетах на планерах, и после всей этой исследовательской работы братья Райт впервые полетели на самолете с двигателем в 1903 году.

    Рисунок 1. Двухэтажный самолет на заре авиации.

    Но изучение аэродинамики крыльев на этом не закончилось. Ланчестер, Кутта, Жуковский и Прандтль разработали теории, чтобы лучше описать циркуляцию потока вокруг крыльев. В то время как Первая и Вторая мировые войны стимулировали развитие самолетов и науки об аэродинамике, следующий прорыв произошел в 1947 году, когда звуковой барьер был впервые преодолен с помощью самолета с ракетным двигателем Bell X-1.К этому моменту понимание дозвуковых и сверхзвуковых течений сформировалось, однако эволюция все еще продолжалась. С появлением компьютеров стало возможным численное вычисление основных уравнений. На горизонте начали появляться модели и программное обеспечение Computational Fluid Dynamics. В настоящее время CFD используется почти во всех процессах разработки, где воздушный поток играет важную роль.

    Классификация потоков и уравнения

    Поле аэродинамического потока можно классифицировать по следующим физическим параметрам: скорости, давлению и температуре.Кроме того, также могут использоваться плотность и вязкость, хотя наиболее распространены классификации расхода на основе скорости и давления.

    Классификация на основе скорости

    Дозвуковые потоки — это поля течения, в которых скорость воздуха не превышает локальную скорость звука, которая равна \ (M <1 \). Типичными примерами являются обычные наземные транспортные средства, такие как автомобили, поезда, автомобили F1 и спортивные самолеты. \ (M \) представляет собой число Маха, которое представляет собой скорость потока через границу. Подробнее о числе Маха читайте в нашей статье о несжимаемых потоках.

    Трансзвуковые течения включают как дозвуковые, так и сверхзвуковые режимы течения \ (0,8

    Сверхзвуковые потоки определяются как имеющие скорости, превышающие скорость звука повсюду в области (\ (M> 1 \)). Военные реактивные самолеты и пули являются хорошими примерами сверхзвуковых потоков.

    Можно также включить гиперзвуковые потоки, скорость которых намного превышает скорость звука. Нет точного определения этого значения (\ (M >> 1 \)). В качестве примеров можно упомянуть некоторые гиперзвуковые самолеты и космические аппараты с ракетными двигателями.

    Классификация по плотности / давлению

    Несжимаемый поток — это поток, в котором плотность материала (воздуха) остается постоянной. При скорости 0,3 Маха это хорошее предположение для промышленных потоков и помогает инженерам упростить моделирование.Обратите внимание, что поток несжимаемой жидкости не означает, что жидкость сама по себе должна быть несжимаемой.

    Поток можно считать сжимаемым, если плотность изменяется вдоль линии тока. Как правило, это имеет место для дозвуковых течений выше 0,3 Маха. Трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые потоки сжимаемы.

    Рисунок 2: Характеристики режимов потока в зависимости от скорости потока. Когда скорость потока превышает 30% скорости звука, эффекты сжимаемости начинают оказывать значительное влияние на характеристики потока.

    Аэродинамические характеристики

    Как упоминалось ранее, аэродинамика — это исследование сил, действующих на твердое тело, находящееся в воздушном потоке. Чтобы лучше описать и понять эти эффекты, а также упростить сравнение случаев, можно использовать математические величины. Эти параметры включают сопротивление, подъемную силу, момент, центр давления и коэффициент давления, чтобы назвать несколько важных.

    Перетащите

    Одной из самых важных величин в аэродинамике является сопротивление жидкости, также известное как сопротивление или сила сопротивления.{2} \, C_ {D} \, A \ tag {1} $$

    где

    • \ ({\ displaystyle F_ {d}} \) — сила сопротивления,
    • \ ({\ displaystyle \ rho} \) — плотность жидкости,
    • \ ({\ displaystyle v} \) — скорость объекта относительно жидкости,
    • \ ({\ displaystyle A} \) — это площадь поперечного сечения, а
    • \ ({\ displaystyle C_ {D}} \) — это коэффициент сопротивления, который зависит от от формы объекта и числа Рейнольдса.

    Лифт

    Другой компонент результирующей силы, действующей на твердое тело, называется подъемной или подъемной силой.Этот компонент перпендикулярен направлению набегающего потока. Термин «подъемная сила» пришел из области аэронавтики, где это важная величина, которая делает возможным полет для объектов тяжелее воздуха. Но подъемная сила создается винтами, винтами вертолетов и даже кузовами автомобилей и ветряных турбин. {2} SC_ {L}} \ tag {2} $$

    где

    • \ (L \) — подъемная сила,
    • \ (ρ \) — плотность воздуха,
    • \ (v \) — скорость,
    • \ (S \) — площадь проекции и
    • \ ({ \ displaystyle C_ {L}} \) — коэффициент подъемной силы

    Момент

    Аэродинамический момент или крутящий момент создается аэродинамической силой, действующей на тело (крыло, автомобиль на любое твердое тело), ​​заставляющее его вращаться в поле потока.Вращение происходит, когда эта вращающая сила действует за пределами центра давления или аэродинамического центра.

    Рисунок 3: Аэродинамические силы и момент, действующие на автомобиль. Положение и значения этих величин сильно влияют на процесс проектирования автомобиля.

    Если вы представите воздушный поток, идущий от передней части автомобиля через капот двигателя, вы можете представить, что воздух хочет поднять автомобиль примерно в той точке, где фары есть. Здесь создается момент, показанный на рисунке 3.

    Центр давления

    Центр давления (ЦД) — это точка, в которой действует сила, создаваемая общей суммой поверхностного давления. Эта сила может быть вычислена как поверхностный интеграл поля давления и может использоваться для расчета устойчивости аэродинамического тела. Например, при анализе аэродинамики пули, выпущенной из ружья, расстояние между ЦП и центром тяжести может создать вращающий момент, что сделает снаряд менее точным.Проще говоря, вы можете представить себе Центр давления как нечто вроде центра тяжести, где находится средний вес объекта. Например, центр тяжести молотка находится далеко от середины, потому что ручка обычно намного легче головки. То же самое и с аэродинамикой. Центр давления — это точка, в которой действуют средние аэродинамические силы сопротивления и подъемная / прижимная сила. Центр давления позволяет инженерам сбалансировать подъемную силу самолета.

    Коэффициент давления

    Одним из наиболее широко используемых безразмерных чисел для визуализации давления на поверхности аэродинамического тела является коэффициент давления \ (C_p \).{2}} = {p-p _ {\ infty} \ over p_ {0} -p _ {\ infty}} \ tag {3} $$

    где

    • \ (p \) — статическое давление в месте, где рассчитывается коэффициент давления,
    • \ (p _ {\ infty} \) — статическое давление в набегающем потоке,
    • \ (p_ {0} \) — полное давление в набегающем потоке,
    • \ (\ rho _ {\ infty} \) — это плотность жидкости в набегающем потоке,
    • \ (V _ {\ infty} \) — это скорость набегающего потока жидкости, или скорость тела в жидкости.

    Можно увидеть, что с помощью \ (C_p \) можно сравнивать разные сценарии скоростей потока, давления и плотности для одной и той же геометрии. Визуализация \ (C_p \) широко используется в автомобильной и авиационной промышленности, где различные концепции исследования сравниваются друг с другом в виртуальной аэродинамической трубе.

    Граничный слой

    В аэродинамике описание, измерение и моделирование скорости у стенки и других величин всегда является сложной задачей. Поскольку поток быстро замедляется около твердой стенки, эффекты вязкости становятся значительными в тонкой области, также известной как пограничный слой.Пограничные слои подразделяются на две основные группы: ламинарные пограничные слои при низких числах Рейнольдса и турбулентные пограничные слои при высоких числах Рейнольдса. Подробнее о числе Рейнольдса читайте здесь.

    Турбулентность

    Турбулентность играет важную роль в аэродинамике. Турбулентность по своей природе является хаотическим, нерегулярным явлением, наблюдаемым в менее вязких жидкостях. В общем, нестационарные вихри появляются в поле течения разных размеров и взаимодействуют друг с другом и с твердым телом, которое их обычно порождает.Турбулентность может быть «хорошей», когда, например, нужно создать более тонкие пограничные слои, и «плохой», когда она приводит к большим разделениям и, следовательно, к увеличению сопротивления и потерь. Точный захват турбулентности в течение многих лет беспокоил сообщество CFD, но есть несколько способов, с помощью которых можно эффективно моделировать турбулентность для достижения точных аэродинамических результатов. Это можно сделать либо путем моделирования (RANS), либо путем устранения завихрений (LES, DES). Что такое турбулентный поток? подробно объясняет это явление.

    Рисунок 4: Вихри в моделировании цилиндра, стоящего в потоке жидкости, и реальный пример острова, создающего вихри в облаках.