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风的偏转

From Windpower Guided Tour

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风机使风偏转

File:turbtubx.gif

前一节给出的风能的概念有点简单。实际上,风机会使风偏转,甚至于在风到达转轮之前就已偏转。这意味着利用风机我们绝不能捕获到全部风能。稍后当我们进入贝兹定律一节时,会讲到这一点。

在上面的图片中,我们看到了风从右边来,我们用一个装置来捕获风的部分动能(在这个案例中,我们使用三叶片转轮,当然也可以使用其他的机械装置)。

流管

显然,当风机捕获到风的动能并将它转换成旋转机械能的时候,风速就降低了。这意味着风在转轮左侧比在右侧运动得慢。

因为每秒从右侧进入扫掠面积的空气量一定与在左侧离开扫掠面积的空气量相等,空气离开转轮后空气的截面积(假想圆筒直径)会放大。

在上面的图画中,利用假想的管可以勾画出这种流动。围绕风机转轮的这种假想管称为流管。流管表明风如何减速流入左侧的,并标明转轮后的空气体积变大。

经过转轮后,风不会立刻降到最终速度。其风速的下降有一个渐进的过程,直到达到几乎恒定的速度。

转轮前后空气压力分布

左图表明,垂直轴为空气压力,而水平轴表示到转轮的距离。风从右侧进入,转轮位于图的中间。

当风从右侧靠近转轮,由于转轮是一个栏栅,空气压逐渐增加。注意,在转轮后(在左侧)空气压立即下降。然后,气压渐渐增加到该区域的常压水平。

再往下游发生了什么?

如果继续向下游移动,风中的湍流将会发生,这是因为风经过转轮后的缓慢流动与周围区域的快速流动相混合所致。由于气团离开了风机,转轮后的风影将逐渐减弱。关于风场效应,下节我们将进一步讨论。

为什么不是一个圆筒流管

现在,你可以把风机放在一个常规的圆筒管中,如下图所示,你会对风机的旋转持有异议。为什么我们要主张流管是瓶状的呢?

File:turbtubs.gif

当然,你可能是对的,如果把风机放在如上图所示的大的玻璃筒里,风机转轮会转。然而,我们想一下,会发生什么情况:

转轮左侧的风与转轮右侧的风相比,左侧的风会以较低的速度运动。但是,同时我们也知道每秒从右侧进入流管的空气体积必须与从左侧流出流管的空气体积相同。因此,我们可以推断,如果在流管中风遇到某些障碍(这一案例就是转轮),从右侧进入的某些空气就必须从进入管偏离(由于管右端空气压力高)。

因此,当风遇到风机时所发生的情况表明,圆筒形流管不是一个精确的图像。本节顶部的图片才是一个正确的图像。

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