[科普中國(guó)]-非對(duì)稱翼型

升力的產(chǎn)生

對(duì)于固定翼的飛機(jī)，當(dāng)它在空氣中以一定的速度飛行時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，機(jī)翼相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)可以看作是機(jī)翼不動(dòng)，而空氣氣流以一定的速度流過(guò)機(jī)翼?？諝獾牧鲃?dòng)在日常生活中是看不見的，但低速氣流的流動(dòng)卻與水流有較大的相似性。日常的生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)水流以一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的流量流過(guò)河床時(shí)，在河面較寬的地方流速慢，在河面較窄的地方流速快。流過(guò)機(jī)翼的氣流與河床中的流水類似，由于機(jī)翼一般是不對(duì)稱的，上表面比較凸，而下表面比較平，流過(guò)機(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快，而流過(guò)機(jī)翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，流動(dòng)慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動(dòng)快的大氣壓強(qiáng)較小，這樣機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)就比上表面的壓強(qiáng)高，換一句話說(shuō)，就是大氣施加于機(jī)翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機(jī)翼上表面的壓力(方向向下)大，二者的壓力差便形成了飛機(jī)的升力。

當(dāng)飛機(jī)的機(jī)翼為對(duì)稱形狀，氣流沿著機(jī)翼對(duì)稱軸流動(dòng)時(shí)，由于機(jī)翼兩個(gè)表面的形狀一樣，因而氣流速度一樣，所產(chǎn)生的壓力也一樣，此時(shí)機(jī)翼不產(chǎn)生升力。但是當(dāng)對(duì)稱機(jī)翼以一定的傾斜角（稱為攻角或迎角）在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)與非對(duì)稱機(jī)翼類似的流動(dòng)現(xiàn)象，使得上下表面的壓力不一致，從而也會(huì)產(chǎn)生升力。1

非對(duì)稱翼型安裝方式對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響研究概述風(fēng)能是無(wú)污染的清潔能源，是目前技術(shù)最成熟、最有開發(fā)利用前景的可再生能源。相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受任何方向的來(lái)風(fēng)，不需迎風(fēng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而且簡(jiǎn)單不扭曲的葉片加工簡(jiǎn)單，成本低廉。因此垂直軸風(fēng)力機(jī)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在一周的旋轉(zhuǎn)中攻角隨時(shí)變化，時(shí)正時(shí)負(fù)，時(shí)大時(shí)小，具體取決于尖速比的大??； 因此，升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的翼型至今仍以對(duì)稱翼型為主( 如NACA0012、NACA0015、NACA0018等) ，但這種傳統(tǒng)的翼型適用于高速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，卻并不能很好地滿足風(fēng)力機(jī)低速運(yùn)行的工作條件，且有不能“自啟動(dòng)”的固有缺點(diǎn)。多年來(lái)人們探索解決這一問題的重要措施主要是采用變槳距葉片技術(shù)和有彎度的翼型； 變槳距技術(shù)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，一般不宜采用，而非對(duì)稱翼型則是更合適的選擇。Islam M等提出用于小功率垂直軸風(fēng)力機(jī)的帶彎度、非對(duì)稱翼型，并對(duì)其氣動(dòng)性能展開系統(tǒng)研究。申振華等研究發(fā)現(xiàn)，增加翼型彎度能明顯提高水平軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)。

人們對(duì)各種非對(duì)稱翼型和部分對(duì)稱翼型的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了一系列對(duì)比計(jì)算，例如Islam M等將非對(duì)稱翼型NACA4415、NASA LS-0417、NASA NLF-0416、S1210、GOE420等與對(duì)稱翼型NACA0015在多個(gè)風(fēng)速、多個(gè)雷諾數(shù)工況下進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在所有工況下，除風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力有所改善外，非對(duì)稱翼型風(fēng)力機(jī)的總體性能弱于對(duì)稱翼型。非對(duì)稱翼型比對(duì)稱翼型擁有更高的升阻比，但裝有非對(duì)稱翼型的H型風(fēng)力機(jī)的性能反而更差，這可能與翼型安裝方式有關(guān)。 有關(guān)非對(duì)稱翼型安裝方式的討論，早在文獻(xiàn)中已提出，只是之后沒有更深入的研究和應(yīng)用。2

結(jié)果相關(guān)研究以DU06-W-200非對(duì)稱翼型直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，在風(fēng)洞中對(duì)風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行一系列性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究葉片在正裝和反裝兩種安裝方式下，不同安裝角、不同風(fēng)速條件下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 對(duì)于非對(duì)稱翼型，采用反裝安裝方式時(shí)風(fēng)力機(jī)性能更好; 且存在一個(gè)最佳安裝角，使翼型反裝時(shí)性能更好； 安裝角為4°時(shí)，風(fēng)速為8m/s時(shí)反裝狀態(tài)功率系數(shù)比正裝狀態(tài)高出22%，風(fēng)速為9m/s時(shí)則高出24% 。2