风力发电的空气动力学原理
风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。
飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。
空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。相同的定律对于滑翔也很重要。空气动力学是一门复杂的科学。并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。
从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。
气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：
液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。
一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。可见分子距离比分子有效直径大得很多。这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。因此，通常称气体为可压缩流体。又因为分子距离很大，分子引力很小，而分子热运动起决定性作用，这就决定了气体既没有一定形状也没有一定体积。
当所研究的问题并没有涉及到压缩性时，所建立流体力学规律既适用于液体也使用于
气体。当计及压缩性时，气体和液体就必须分别处理。气体虽然是可压缩的，但在气流速度V远小于音速a（如速度V小于0.3a）时，可以忽略气体的压缩性，即把气体看作不可压缩的流体。往往把忽略空气压缩特性的空气动力学，称为流体动力学。
4.1流体的伯努力方程
在流场中把空气作为不可压缩流体来处理，并认为是理想流体，即忽略拈性影响。所以，对于在同一条流线或一根流管上，做定常运动的不可压缩的理想流体，在我们所考虑的范围内没有热或功能进出，也没有流体产生和消失，泊努力根
据质量守恒定律，由牛顿第二定律与加速度的平衡关系经过数学推导得出伯努力方程式：
（1）对于气体在流动过程中高度变化不大时，z项可以略去，所以气体的伯努力方程通常又可写成：
（2）式（1）中右边的常数，成为伯努力常数。这个常数是指沿一条流线或一根流管是常数值，一般情况下，对于不同流线或流管；常数值是可以不同的。
伯努力公式虽然是从牛顿第二定律的力与加速度的平衡关系推导而来，但是经过积分之后，式中各项都具有能量的量纲。以式（1）为例，它的第一项表示单位重量的流体所具有的动能（V2/2g）。第三项表示单位重量流体的位能（z）。第二项与第三项、第一项并列，在量纲上必然也是能量，相当于压力对于单位重量流体所具有的位能，我们称之为压力能（p/ρg），式（1）可以说是流体沿流管或流线上每一点的动能、压力能和位能三者的守恒式。常数C则表示为总机械能。所以式（1）又可称为不可压一维流的能量方程。
式（2）说明，在一条流线（或同一条流管）上，气流速度增大，则压强下降，反之则相反。
由（2）式知，在不考虑摩擦时，沿流管的总能量不变。
4.2风轮的空气动力学特性
风机叶片的上侧比下侧弯曲幅度大，或者前部边缘向上翻掀(正攻角)，叶片上侧比叶片
下侧的气流速度要大，这就导致叶片两侧产生压力差。根据气体的伯努力方程知叶片上侧是低压区，叶片下侧是高压区。叶片获得垂直于气流方向的升力。
事实上，不仅仅是翼型，而是所有置于均匀气流中的物体都受到一个力的作用，而该力的方向一般与来流的方向不同。这一点很关键，他解释了为什么升力分量垂直与来流，另一部分阻力分量平行与来流的原因。
4.2.1风轮的转速
风轮在风的作用下旋转，旋转速度用风轮转速Ω表示。
4.2.2风轮的尖速比
风轮尖速比是风轮的一个重要参数，它指的是风轮叶片叶尖线
速度与来流风速的比值。
λ = （ΩR）/V
4.2.3作用在风轮上的力和力矩
1．翼型的受力示意图翼型空气动力特性好坏直接影响风力发电机组的性能。以前风轮叶片常采用飞机翼型，当前也有专用于风力发电机组的专用翼型。风轮工作条件和飞机有较大区别。一方面风轮叶片工作时，其迎角变化范围大；另一方面风轮叶片是在低雷诺数情况下工作。我们在设计风力发电机组时，总希望得到高的风能利用系数，使风轮的能量损失尽可能小，此时即阻力尽可能地小。要求选择的翼型具有高的升力系数，从飞机机翼理论中我
们知道升阻比(CI/Ct)的概念，一般流线翼型的升阻比在150~170之间，某些特殊翼型的理论升阻比可达到400左右。一般来说，随着雷诺数增加，翼型升阻比越好。
近年来，采用新翼型制造的叶片不多，主要是由于新翼型的开发研制投入比较大。设计者通常都比较保守，采用具有公开数据而性能优良的翼型是比较明智的选择，如选用NACA632xx、NACA634xx系列低阻层流翼型等。由于失速计算不准确，这是限制翼型选择的另一个因素。
应根据以下规则选择翼型：对于低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮，由于叶片数较少，应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低。
作用在翼型上的力的物理机理是由于环绕翼型面流体流速的变化。如下图所示，上翼型面流速比下翼型面快，结果上面压力低于下面压力，于是产生了气动力R。气动力R可以分解为一个平行于来流的阻力分量D和一个垂直于来流的升力L分量。升阻力不但与来流的速度有关还与它的角度(迎角)有关。
翼型剖面受力图
在描述不同翼型的升阻特性时，常常用无量纲的升力系数和阻力系数作基准，它们的定义如下：
升力系数C L=L/（1/2ρV2A）
阻力系数C D=D/（1/2ρV2A）
式中：ρ——空气密度（kg/m3）；
V——未扰动来流风速（m/s）；
A——叶片投影面积（m2）。
翼型升力系数曲线 翼型阻力系数曲线
这些无量纲的升力和阻力系数是在风洞中对不同的迎角测试而获得的。这些数据是二维的，在实际使用时要进行三维修正。
2．叶素受力示意图
右图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱
导速度情况下的受力分析。在叶片局部剖
面上，W 是来流速度V 和局部线速度U
的矢量和。速度W 在叶片局部剖面上产
生升力dL 和阻力dD ，通过把dL 和dD
风力发电的原理分解到平行和 垂直风轮旋转平面上，即
为风轮的轴 叶素受
力图
向推力dFn 和旋转切向力dFt 。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。
上图中的几何关系式如下：
W=V+U （ΩR ）
ψ=θ+α
dFn = dDsin ψ + dLcos ψ
dFt = dLsin ψ – dDcos ψ
dM = rdFt = r （dLsin ψ – dDcos ψ）
作用在风轮叶片上的力和力矩，可以由作用在风轮叶片各剖面叶素上的力和力矩积分
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