2018/11/09 
5106升力與阻力
風就是流動的空氣，一塊薄平板放在流動的空氣中會受到氣流對它的作用力，我們把這個力分解為阻力與升力。圖1中F是平板受到的作用力，FD為阻力，FL為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直。
圖1-升力與阻力示意圖
我們先分析一下平板與氣流方向垂直時的情況，見圖2，此時平板受到的阻力最大，升力為零。當平板靜止時，阻力雖大但并未對平板做功；當平板在阻力作用下運動，氣流才對平板做功；如果平板運動速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運動的平板當速度是氣流速度的20%至50%時能獲得較大的功率，阻力型風力機就是利用葉片受的阻力工作的。
圖2-阻力的形成
當平板與氣流方向平行時，平板受到的作用力為零（阻力與升力都為零）。 當平板與氣流方向有夾角時（見圖3），氣流遇到平板的向風面會轉向斜下方，從而給平板一個壓力，氣流繞過平板上方時在平板的下風面會形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產生了側向作用力F，該力可分解為阻力FD與升力FL。
圖3-升力與阻力的形成
下面是平板受氣流作用產生升力與阻力的矢量圖
平板受來流產生升力與阻力的矢量圖
薄平板與氣流方向的夾角稱為攻角，當攻角較小時，平板受到的阻力FD較??；此時平板受到的作用力主要是升力FL，見圖4。
圖4-小攻角時升力大阻力小
飛機、風箏能夠升到空中就是依靠升力，升力型風力機就是靠葉片受到的升力工作的。
翼型
翼型本是來自航空動力學的名詞，是機翼剖面的形狀，翼型均為流線型，風力機的葉片都是采用機翼或類似機翼的翼型，圖5是翼型的幾何參數圖
圖5-翼型的幾何參數
與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中弧線，翼型通過以下參數來描述：
（1）前緣、后緣
翼型中弧線的最前點稱為翼型的前緣，最后點稱為翼型的后緣。
（2）弦線、弦長
連接前緣與后緣的直線稱為弦線；其長度稱為弦長，用c表示。弦長是很重要的數據，翼型上的所有尺寸數據都是弦長的相對值。
（3）最大彎度、最大彎度位置
中弧線在y坐標最大值稱為最大彎度，用f表示，簡稱彎度；最大彎度點的x坐標稱為最大彎度位置，用xf表示。
（4）最大厚度、最大厚度位置
上下翼面在y坐標上的最大距離稱為翼型的最大厚度，簡稱厚度，用t表示；最大厚度點的x坐標稱為最大厚度位置，用xt表示。
（5）前緣半徑
翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱為前緣半徑，用r1表示。
（6）后緣角
翼型后緣上下兩弧線切線的夾角稱為后緣角，用τ表示。
對稱翼型的彎度f為0，t1=t2,上下表面對稱。
圖6-對稱翼型
翼型的升力與阻力
民航飛機機翼的截面是常用的翼型，能產生較大的升力，且對氣流的阻力很小，常用的飛機翼型上表面彎曲，下表面平直，是有彎度翼型（不對稱翼型），見圖7，即使葉片弦線與氣流方向平行也會有升力產生，這是因為繞過翼型上方的氣流速度比下方氣流快許多，跟據流體力學的伯努利原理，上方氣體壓強比下方小，翼片就受到向上的升力FL。
圖7-攻角為0時的非對稱翼型也有升力
翼型的弦線與來流方向的夾角稱為攻角或迎角，當攻角增大時，翼型受到的升力會增大，有攻角的翼型能受到較大的升力，在來流不變時翼型受到的升力隨攻角的增大而增大，阻力雖有增加但很小，與升力相比可忽略不計。圖8是攻角為12度時的氣流與升力圖。
圖8-在合適攻角下翼型有最大升力
有彎度翼型在攻角為某一負值時，升力為0，稱該攻角為零升力攻角（零升力角）。
雖然翼型受到的升力隨攻角的增大而增大，但攻角增大到某個臨界角度后，翼型上方氣流會發(fā)生分離，產生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現象稱為失速。對于不同的翼型這個角度也不同，一般為10至15度。
風力發(fā)電用風力機有阻力型與升力型兩種，水平軸風力機基本都是升力型，垂直軸風力機有升力型結構也有多種阻力型結構，一些實度比很高的風力機（水平軸或垂直軸）會工作在升力與阻力狀態(tài)。
再介紹幾個與風機空氣動力學相關的名詞。
壓力中心
正常工作的翼型受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個合力來表示，該力與弦線（翼型前緣與后緣的連線）的交點即為翼型的壓力中心。
對稱翼型在不失速狀態(tài)下運行時，壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置（見圖9）。
圖9-翼型的壓力中心
運行在不失速狀態(tài)下的非對稱翼型，在較大攻角時壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置，在小攻角時壓力中心會沿葉片弦長向后移。
雷諾數
雷諾數是衡量作用于流體上的慣性力與粘性力相對大小的一個無量綱參數，雷諾數用Re表示，
式中ρ——流體密度；V——流場中的特征速度；L——特征長度；μ——流體的粘度，流體的粘度主要隨溫度變化，空氣的粘度隨氣溫升高加大；而液體則相反，溫度升高粘度減小。
定義ν為流體的運動粘度，
于是
由于空氣的密度ρ隨氣溫上升而減小、空氣的粘度μ隨氣溫上升而增加，所以雷諾數Re隨氣溫上升而減明顯減小。
在研究翼型的氣動特性時，V取翼型的運動速度，L取翼型的弦長，得到的就是該翼型的雷諾數。
雷諾數對翼型氣動特性影響較大，一般翼型的失速迎角隨雷諾數的增大而增大、最大升力系數也隨失速攻角的增大而增大；阻力系數在總體上會有降低。
失速迎角
當翼片運行較小迎角時，翼片處在正常升力狀態(tài)，翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型表面流過，見圖10中的A圖，此時有較大的升力且阻力很小。如果將翼片迎角變大，當超過某個臨界角度時，翼片上表面氣流會發(fā)生分離，不再附著翼型表面流過，翼型上方會產生渦流，導致阻力急劇上升而升力下降，這種情況稱為失速。見圖10中的B圖，在翼型受來流產生升力與阻力動畫中后部分也有翼型失速時氣流動畫。
圖10-攻角超過失速迎角就會失速
發(fā)生轉變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角，對于不同的翼型不同的氣流速度失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；對于同一個翼型影響失速迎角的是翼片運行時的雷諾數與翼片的光潔度。
對于薄平板來說失速迎角較小，且阻力略大，攻角稍大就會失速
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