叶片翼型的空气动力特性

三、叶片翼型的空气动力特性

1.升力型叶片

升力型叶片因风对其产生升力而旋转做功。如图3-9所示，翼型周围存在绕流，翼型外表面的空气压力不均匀，下表面压力比上表面压力大，存在压力差，于是对翼型产生阻力和升力。平行于来流方向但方向相反的力称为阻力，垂直于空气流动方向的力叫作升力。

翼型的升力和阻力均与翼型的形状和攻角有关。攻角达到临界值之前，随着攻角的增大，升力增大，阻力减小，升阻比增大。当攻角增大到某一临界值时，升力突然减小，阻力急剧增大，升阻比骤降，风轮叶片突然丧失支撑，这种现象称为失速。

2.阻力型叶片

阻力型叶片依靠风对叶片的阻力来推动叶片旋转做功，如图3-10所示，气流作用于叶片，产生气动阻力D，由此阻力产生功率。

3.升力和阻力的产生机理

气动升力和阻力像飞行器的机翼产生的一种力，当气流与机翼有相对运动时，气体对机翼有垂直于气流方向的作用力——升力，以及平行于气流方向的作用力——阻力，如图3-11所示。

下面就来定性地分析飞机机翼附近的流线及压力变化情况。

解释一：假设机翼上下气流量一样，即总能量一样，且到达机翼头部上部和下部的气流同时到达后缘。

当空气流过机翼时，气流会沿上、下表面分开，并在后缘处汇合。上表面弯曲，气流流过时走的路程较长；下表面较平坦，气流流过时走的行程较短。上、下气流最后要在某一处汇合，因为经历的时间一样，因而上表面的气流必须速度较快，下表面的气流速度较慢，这样上表面的气流与下表面的气流才能同时到达后缘。根据伯努利原理，=常数，上表面高速气流对机翼的压力较小，下表面低速气流对机翼的压力较大，这样就产生了一个压力差，也就是向上的升力。在实际的飞机机翼上，升力来自两部分：一是机翼下表面的气流高压产生的向上的冲顶力，二是机翼上表面的高速气流的低压产生的吸力。简单地说，升力是气流对机翼“上吸、下顶”共同作用的结果。在全部升力中，机翼上表面的吸力比机翼下表面的冲力更大。

解释二：根据连续性方程，翼型上、下表面有

翼型下表面处流场横截面面积A2变化较小，空气流速几乎与截面1处的空气流速相等，因此翼型下表面的静压力几乎与截面1处的压力相等。

翼型上表面突出，流场横截面面积A1减小，空气流速大于截面1处的空气流速，因此翼型上表面的静压力小于截面1处的压力。

所以，机翼运动时，机翼下表面的压力大于机翼上表面的压力，在机翼上表面形成低压区，在机翼下表面形成高压区，合力向上并垂直于气流方向。

4.作用在机翼上的气动力

风吹过叶片时，在翼型面上产生压力，如图3-12所示，上翼面的压力为负，下翼面的压力为正。由于机翼上、下翼面所受压力不等，实际上存在一个指向上翼面的合力，记为F。F在翼弦上的投影称为阻力，记为FD；F在垂直于翼弦方向上的投影称为升力，记为FL。合力F对其他点（除自己的作用点外）的力矩，称为气动力矩M，又称为扭转力矩。(https://www.daowen.com)

此处的FL、FD、M分别为翼型沿展向单位长度上的升力、阻力和气动力矩。

合力F可用下式表示，即

式中，ρ——空气密度，S——叶片面积，C——总的气动力系数。

升力FL为

阻力FD为

于是有

5.翼型剖面的升力和阻力特性

为方便使用，通常用无量纲数值表示翼型剖面的启动特性，定义升力系数为

阻力系数为

翼型剖面的升力特性用升力系数CL随攻角α变化的曲线（升力特性曲线）来描述，如图3-13所示。

当α=0°时，CL＞0，气流为层流。

当α＜αCT（15°左右）时，CL与α成近似的线性关系，即随着α的增加，升力FL逐渐增大，气流仍为层流。

当α=αCT时，CL达到最大值CLmax。αCT称为临界攻角或失速攻角。

当α＞αCT时，CL将减小，气流也变为紊流。

当α=α0（＜0°）时，CL=0，表明无升力。α0称为零升力角，对应于零升力线。

翼型剖面的阻力特性用阻力系数CD随攻角α变化的曲线（阻力特性曲线）来描述，如图3-13所示。

当α＞αCDmin时，CD随α的增大而逐渐增大。

当α=αCDmin时，CD达到最小值CDmin。