二维平板势流中的附加质量效应

Strickland曾对二维平板的势流进行解析描述，发现存在与气流速度变化值和角速度值成比例的非循环力，这被认为是附加质量效应的影响。Strickland认为法向力的贡献是可忽略的，但附加质量的切向分量需要被考虑，且平板1/4弦长处俯仰力矩改变的直接原因是流体惯性的影响。

垂直轴风力机在运转状态下攻角快速变化，叶片通常处于深失速状态，其附加质量与无界连续流动中的低速绕流会有很大不同，难以采用经典的势流理论方法求解，用试验方法确定风力机叶片的附加质量也存在一定的技术困难。因此通过CFD方法验证叶片附加质量影响，以3.2节中提到的麦克马斯特大学研制的垂直轴风力机叶片为研究对象，得到如下结果：

图3-20为旋转状态下单根叶片非旋转状态在不同方位角轴向力（沿支撑杆方向）分布与叶片旋转状态在相同工况下稳态计算轴向力比较图。由图可见叶片在旋转状态和非旋转状态下轴向力分布趋势一致。而旋转状态下，叶片在上风向时（90°～270°），叶片支撑杆受轴向压力，与叶片离心力相反；在下风向时（0°～90°、270°～360°），叶片轴向力低于非旋转状态下叶片承受的轴向力。因此，旋转状态下垂直轴风力机叶片支撑杆设计强度可低于稳态计算下支撑杆设计强度。

图3-21为旋转和非旋转叶片1/4弦长处[叶片与支撑杆连接处，见图3-9（a）]俯仰力矩随方位角变化示意图。由图可见，旋转状态下叶片由于快速攻角变化和尾流影响，叶片与支撑杆连接处扭矩快速变化，且幅值较大，加剧了该处疲劳荷载。应相对于稳态计算结果，加强该处连接强度，保证风力机可靠运行。(www.xing528.com)

图3-20　叶片轴向力随方位角分布

图3-21　叶片1/4弦长处俯仰力矩随方位角分布