第一节 基本概念
首先介绍几点与风力机工作相关的基本概念。
一、风的动能
风是空气流动的现象，流动的空气具有能量。在忽略化学能的情况下，这些能量包括机械能（动能、位能和压力能）和热能。风力发电机组将风的动能转换为风力机的动能并进而转换为电能。从风的动能到风力机的动能的转换是通过叶片实现的，而从风力机的动能到电能的转换则是通过发电机实现的。对于水平轴的风力发电机组，在这个转换过程中，风的位能和压力能保持不变。因此，主要考虑风的动能的转换，通常所说的风能就是指风的动能。
根据牛顿第二定律可以得到，空气流动时的动能为
式中 W——风能，单位为J；
m——空气质量，单位为kg；
v——来流速度，单位为m/s。
以速度v垂直流过截面面积A的气流流量为
qv=vA
在t时间内，流过的气流体积为
V=qvt=vAt
流过的质量为
将式（2-2）代入式（2-1）可得气流所具有的动能为
式中 ρ——空气密度，单位为kg/m3；
A——过流面积，单位为m2。
如果气流的动能全部用于对外做功，则所产生的功率为
式中 P——气流功率，单位为W。
气流垂直通过单位面积的风功率称为风功率密度（pw），它是表征一个地方风能资源多少的指标。即
二、不可压缩流体
流体都具有可压缩性，无论是液体还是气体。所谓可压缩性是指在压力作用下，流体的体积会发生变化。通常情况下，液体在压力作用下体积变化很小。对于宏观的研究，这种变化一般可以忽略不计。这种在压力作用下体积变化可以忽略的流体称为不可压缩流体。气体在压力作用下，体积会发生明显变化。这种在压力作用下体积发生明显变化的流体称为可压缩流体。
但是在一些过程中，譬如远低于声速的空气流动过程，气体压力和温度的变化可以忽略不计，因而可以将空气作为不可压缩流体进行研究。风力机实际运行工况下，可以近似认为空气密度ρ为常数。此时，称空气流为“不可压缩”流，或称定密度流。
三、流体黏性
黏性是流体的重要物理属性，是流体抵抗剪切变形的能力。以图2-1所示的平行平板间流体流动为例，研究黏性的产生及其大小。平板间充满流体，上平板以速度vh运动，下平板不动。贴近两平板的流体必须黏附于平板，紧贴于运动面上的流体必然以与运动面相同的速度vh运动，而紧贴下平板面的流体的速度则为零。由实验得知，两平板间的各流体层的速度从零到vh呈线性规律变化。运动较快的流层带动较慢的流层，而运动较慢的流层又阻滞运动较快的流层，不同速度流层之间互相牵制，产生层与层之间的摩擦。这就是流体在流动过程中由于黏性而产生的内摩擦力。流层间的内摩擦力F与流层的接触面积A及流层的相对速度dv成正比，而与此二流层间的距离dy成反比，即
式中
——速度梯度，单位为1/s，表示沿流体流层法向单位长度上速度的变化率，当层间距很小时，可近似认为dv与dy为线性关系；
μ——动力黏度，单位为（N·s）/m2，即Pa·s，表示流体黏性大小的系数。
图2-1 平行平板间的流体流动
式（2-5）称为牛顿摩擦定律。遵守牛顿摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。
以τ=F/A表示切应力，则有
黏性剪切力的产生是由于流体分子间的引力和流体层间的分子运动形成的动量交换。
在实际应用中，常将动力黏度μ与流体的密度ρ之比称为运动黏度，单位为m2/s，以ν表示：
当不考虑流体的黏性时，则称这种流体为理想流体。理想流体内不存在切应力，即无摩擦力。这是一种简化假想的模型，研究理想流体是比较简便的，所以在工程中往往将空气视为理想流体。当考虑流体的黏性时，则称这种流体为黏性流体或实际流体。
四、层流与湍流
流体的运动有层流和湍流两种状态。如果流体质点运动没有横向脉动，不引起流体质点的混杂，层次分明，能够维持安稳的流动状态，则这种流动称为层流。如果流体运动时，质点具有脉动速度，引起流层间质点的相互错杂交换，则这种流动称为湍流（又称紊流）。风一般属于湍流。层流和湍流传递动量、热量和质量的方式不同：层流的传递过程通过分子间相互作用，湍流的传递过程主要通过质点间的混掺。湍流的传递速率远大于层流传递速率。
试验表明，由于流速v的不同，层流和湍流可以相互转换。但由湍流转为层流时的平均流速v的数值要比层流转为湍流时小。流态转变时的速度称为临界流速，层流转为湍流时的流速称为上临界流速，反之称为下临界流速。
判断层流与湍流的准则是雷诺数，即
式中 v——气流速度；
ν——流体运动黏度；
l——特征长度，当讨论叶片力特性时，可用弦长；当讨论边界层特性时，可用距前缘距离。
层流与湍流转化的雷诺数称为临界雷诺数，用Recr表示。雷诺数在物理上的本质是表征了流体运动的惯性力与黏性力的比值。在研究湍流运动时，除个别情况外，常用时均流速代替非定常的真实流速，可以使问题得以简化。
通常用湍流强度作为描述湍流的一个整体指标，湍流强度Ir定义如下：
式中 σ——脉动风速的标准差；
——平均风速（10min平均值），单位为m/s。
湍流强度Ir值在0.10或以下时表示湍流较小，到0.25时表明湍流过大，一般海上Ir在0.08～0.10之间，陆地上为0.12～0.15。湍流过大会减少风力机的输出功率，引起系统振动和载荷不均匀，影响发电质量，最终可能使风力发电机组受到损坏。大型风力发电机组已经采取了一些措施减小湍流的影响。
五、伯努利方程
在不考虑流体的可压缩性、黏性，而且流体运动的速度不随时间变化的情况下（称为不可压理想流体定常流动），在同一流线（此时与微团运动的迹线一致）上，可以获得著名的理想流体伯努利（Bernoulli）方程：
式中 h——流体在流动过程中的高度；
p——流体压力；
ρ——流体的密度；
g——重力加速度；
v——流体的速度。
在式（2-8）中每一项都具有长度的量纲，即具有高度的意义。其中h表示所考虑的点对某一基准面的高度，称为位置能头。p/（ρg）表示压强使流体柱在真空中上升的高度，称为压强能头。而v2/（2g）是为了达到速度v所必要的自由降落高度，称为速度能头。所以方程式（2-8）表示沿着流线，流体的位置能头、压强能头和速度能头之和是不变的，是单位重量流体沿着流线总的机械能守恒的数学表达式。
六、边界层
边界层又称为附面层，是指贴近固壁附近的一部分流动区域。在这部分区域中，流动速度由固壁处的零迅速发展到接近来流的速度。这部分区域的厚度很小，故速度急剧变化，沿壁面法线方向的速度梯度很大，流体的黏性效应也主要体现在这一区域中。在离壁面较远的地方，速度梯度很小，黏性力比惯性力小得多，黏性力可以略去不计，可看作是理想流体的流动。而在边界层和尾涡区内，必须考虑流体的黏性力。实际上，边界层的内、外区域并没有明显的分界面，一般将边界层的界限规定为在边界层的外边界上流速达到层外流速的99%。风平滑地绕流叶片形成的边界层如图2-2所示。
图2-2 边界层
边界层内流体的流动也有层流和湍流两种流动状态。边界层内全都是层流的，称为层流边界层；边界层内全都是湍流的，称为湍流边界层。仅在边界层起始部分是层流，而在其他部分为湍流的，称为混合边界层。在层流与湍流之间还有一个过渡区：在湍流边界层内，紧靠壁面处总是存在着一层极薄的层流，称为层流底层。
当黏性流体绕流曲面物体时，边界层外边界上沿曲面方向的速度v是随物体厚度的变化而变化的，故曲面边界层内的压强也将发生相应的变化，这种速度和压强的改变对边界层内的流动也会产生影响。流体流经圆柱体的流动如图2-3所示。根据边界层外边界上势流流动情况，可将边界层内的流动划分为3种情况：①流体绕过圆柱面前驻点A后，沿上表面的流速增加，直到柱面上的B点，在B点边界层外边界上的速度最大，而压强最低。边界层内的流体微团不但是全部沿流动方向向前运动，而且边界层内的速度分布曲线沿流动方向向外凸出。②B点以后，进入升压减速过程。流体的部分动能不仅要转化为压力能，而且还要克服黏性力的阻滞影响，从而使微团的动能损耗更大，流速迅速降低，使边界层厚度不断增大。当流动到曲面某点C时，如果靠近物体壁面的微团的动能已经被耗尽，则这部分微团便停滞不前，以致越来越多的流体微团在物体壁面和主流之间堆积。③在C点之后，压强的继续升高将使这部分停滞的微团被迫产生反向的逆流，并迅速向外扩展。这样，主流被这股逆流排挤得离开了物体壁面。在CC′线上的流体微团的速度等于零，称为主流和逆流之间的间断面。由于间断面的不稳定性，很小的扰动就会引起间断面的波动，并破裂成漩涡，造成边界层的分离。C点称为边界层的分离点。
图2-3 流体流经圆柱体的流动
七、阻力
当空气与物体存在相对运动时，运动一方会受到阻力，阻力方向与运动方向相反。在低于声速的情况下，阻力分为摩擦阻力和压差阻力。
摩擦阻力是由于空气的黏性作用，在物体表面产生的全部摩擦力的合力。压差阻力是由于边界层分离引起的。边界层分离后的流动很复杂，尾涡中含有紊乱的漩涡，消耗大量的动能，从而使作用在物体后部表面上的压强不能同前部压强相平衡，而是形成了相当大的压差作用在物体上。古老的风车就是利用压差阻力进行工作的。现在使用的风杯式测风仪也利用了压差阻力。
八、升力
位于气流中的非对称截面的叶片以及前缘对着气流向上斜放的平板都会受到一个垂直于气流运动方向的力，这个力称为升力。关于升力产生的原因可以应用伯努利方程进行解释，如图2-4所示。由于叶片上、下表面的长度不同，上表面的长度比下表面的长度长。为了保持空气流过叶片时的连续性，流经上表面的空气流速就比流经下表面的流速快。根据伯努利方程，在不考虑重力影响时，上表面气流的压力就会低于下表面气流的压力。这样就在上、下表面之间产生压力差，这个压力差就是升力。现代的风力机多是利用升力进行工作的。实际上，只要特定形状的叶片与空气存在相对运动就会产生升力，这也是飞机的飞行原理。
图2-4 升力的产生
九、风廓线
由于地面对风的摩擦力，风速随距地面高度有显著的变化。风廓线是表示风速随距地面高度变化的曲线，如图2-5所示。图中的横坐标以某高度处的平均风速
与风力机轮毂中心处平均风速
的比值给出，纵坐标以某高度h与风力机轮毂中心高度h0的比值给出。z0为粗糙度，它是衡量地面的摩擦力大小的指标。不同地表的粗糙度见表2-1。
图2-5 不同粗糙度长度的风廓线
表2-1 不同地表的粗糙度z0和α值
风廓线通常有两种描述方法，一种应用自然对数描述，如式（2-9）所示：
式中 v1——h1高度上的风速，单位为m/s；
v2——h2高度上的风速，单位为m/s；
d——地面廓线的影响系数。
当地面上障碍物比较离散和低矮时，d选为零，否则d采用障碍物高度的70%～80%。式（2-9）在30～50m的高度范围内对风廓线拟合得最好。
风廓线还可以应用指数公式描述
式中 α——风切变指数。
式（2-10）适用于d等于零的场合，但适用的高度范围大于式（2-9）。
α值大表示风速随高度增加得快；α值小表示风速随高度增加得慢。
α值的变化与地面粗糙度有关，见表2-1。α与z0的关系为
α=0.04lnz0+0.003( lnz0)2+0.24
风速随距地面高度变化的特性可能造成风力机叶片的振动。