Тема 2. Теоретические основы использования энергии ветра

Тема 2. Теоретические основы использования энергии ветра. Роза ветров
регионов РФ (5 часов)
Основные законы механики: сохранение массы, количества движения
(импульса), энергии. Уравнение Бернулли. Несжимаемые и сжимаемые течения.
Вязкость. Ламинарные и турбулентные течения. Удельная кинетическая энергия
потока воздуха. Преобладающие направления ветров РФ.
Аэродинамика -
раздел механики сплошных сред, в котором изучаются
закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел,
движущихся в воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся
подъемная сила и сила сопротивления и их распределения по поверхности, а также
тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе.
Плотность, давление, температура и молекулярный состав. В аэродинамике
принимаются во внимание такие свойства воздуха, как плотность, давление,
температура и молекулярный состав.
Воздух состоит из молекул ряда химических элементов, в основном азота
(78%) и кислорода (21%). Имеются также небольшие примеси аргона, углекислого
газа, водорода и других газов. Число молекул в единице объема воздуха
чрезвычайно велико: на уровне моря при температуре 15° С в 1 м3 содержится
2,7·1025 молекул. Плотность определяется как масса воздуха, содержащегося в
единице объема.
Давление представляет собой силу, действующую на единицу площади.
Молекулы воздуха находятся в непрерывном движении; они соударяются с
ограничивающей воздух поверхностью и отражаются от нее. Сумма всех импульсов,
сообщаемых молекулами, падающими на единицу площади поверхности за единицу
времени, равна давлению.
Температура воздуха (или какого-либо другого газа) служит мерой средней
кинетической энергии молекул (равной половине произведения массы на квадрат
скорости), отнесенной к единице массы.
Вязкость. Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость.
Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности,
тогда как невязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности.
Законы сохранения
Аэродинамика
описывается
фундаментальными
физическими
законами
механики сплошных сред. Эти законы называются «законами сохранения», так как
они выражают свойство сохранения массы, энергии и импульса для каждого
элементарного объема движущейся среды.
При использовании законов сохранения важную роль играет принцип
относительности движения, сформулированный Галилео Галилеем (1564–1642),
согласно которому сила, действующая на тело в воздушном потоке, зависит только
от относительной скорости движений тела и воздуха и не зависит от того, движется
ли тело в покоящемся воздухе или же воздух движется относительно неподвижного
тела.
Закон сохранения массы — исторический закон физики, согласно которому
масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то
есть несотворима и неуничтожима. В метафизической форме закон известен с
древнейших времён. Позднее появилась количественная формулировка, где в
качестве меры массы объекта вначале использовался его вес.
В настоящее время известен ряд условий, при которых данный закон
нарушается — например, при радиоактивном распаде совокупная масса вещества
уменьшается. В современной физике закон сохранения массы является частным
случаем закона сохранения энергии, и он выполняется только в консервативных
физических системах, то есть при отсутствии энергообмена с внешней средой.
В применении к рассматриваемым частицам текущей среды закон сохранения
массы означает, что массовый поток воздуха один и тот же, в каком бы месте он ни
измерялся. Этот закон называется еще уравнением неразрывности, и течение,
удовлетворяющее этому условию, называется непрерывным течением.
Закон сохранения импульса утверждает, что векторная сумма импульсов всех
тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.
В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как
следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при
движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии
взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.
Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения
импульса описывает одну из фундаментальных симметрий, — однородность
пространства.
Закон сохранения импульса является выражением второго закона Ньютона в
применении к частицам текущей среды. Он может быть записан в следующей
форме:
Сила = Изменение импульса за секунду.
Следствием этого закона является связь между давлением p, плотностью r и
скоростью v. Если скорость течения достаточно мала (так что плотность можно
считать постоянной всюду в поле течения), то выполняется следующее простое
соотношение p + 1/2 rv2 = const (уравнение Бернулли).
Эта формула, известная как закон Бернулли, была получена швейцарским
математиком и инженером Даниилом Бернулли (1700–1782).
Несжимаемые и сжимаемые течения. Течение, которое удовлетворяет этому
уравнению, называется несжимаемым, поскольку оно применимо как к жидкостям,
которые практически несжимаемы, так и к газам, если скорости их движения малы
по сравнению со скоростью звука. Если скорость в какой-либо точке потока больше
половины скорости звука, то расчеты по этой формуле будут содержать
значительные погрешности. Такие течения называются сжимаемыми.
Третий закон сохранения, используемый для описания деталей поля течения,
выражает условие сохранения энергии. Применительно к течениям можно
рассматривать два рода кинетической энергии: энергию, связанную с основным
(упорядоченным) течением, и энергию, соответствующую случайным движениям
молекул. Энергию, связанную со структурой отдельных молекул и атомов, мы
рассматривать не будем, так как ее влияние становится заметным лишь при очень
высоких температурах.
В расчете на единицу объема кинетическая энергия упорядоченного движения
записывается
как
1/2
rv2,
тогда
как
кинетическая
энергия
случайных
(неупорядоченных) движений равна rcpT, где cp – удельная теплоемкость при
постоянном давлении и T – абсолютная температура воздуха. Согласно закону
сохранения энергии для установившихся течений, сумма отнесенных к единице
объема энергий упорядоченного и случайного движений сохраняет постоянное
значение:
срT + 1/2 v2 = const.
Из этого уравнения энергии видно, что если скорость течения v
увеличивается, то его температура T уменьшается.
Ветер
Ветром называют движение воздуха относительно земной поверхности,
причем имеется в виду горизонтальная составляющая этого движения. Ветер
характеризуется вектором скорости, но на практике под скоростью подразумевается
только числовая величина скорости, направление вектора скорости называют
направлением ветра. Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в км в час и в
узлах (морская миля в час). Чтобы перевести скорость из метров в секунду в узлы,
достаточно умножить число метров в секунду на 2.
Российский ГОСТ под ветром понимает поток воздуха, движущийся
относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с.
Существует еще одна оценка скорости или, как принято говорить в этом
случае, силы ветра в баллах, шкала Бофорта, по которой весь интервал возможных
скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с
различными эффектами, производимыми ветром разной скорости, такими, как
степень волнения на море, качание ветвей деревьев, распространение дыма из труб.
Каждая градация скорости ветра имеет определенное название.
Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного
давления и направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления.
Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость
из-за
и направвление веттра посто
оянно мен
няются. С высотой
й скоростть ветра меняется
м
убывани
ия силы тррения.
Нааправлени
ие ветра определяю
о
ют, назвавв точку го
оризонта,, откуда дует
д
ветерр или
угол, обрразуемый
й направл
лением веетра с мееридианом
м места, ооткуда ду
ует ветерр, т.е.
его азимуут. В первом случаае различчают 8 осн
новных румбов горризонта: север, севверовосток, ввосток, югго-восток
к, юг, югоо-запад, заапад, севееро-западд и 8 пром
межуточных.
8 оосновныхх румбов направл ения имееют следу
ующие соокращени
ия (руссккие и
междунаародные): С-N, Ю-S, З-W, В
В-E, СЗ-N
NW, СВ-NE, ЮЗ-SW
W, ЮВ-SE
E:
Риссунок 2.1. Румбы ветров
Еслли направвление веетра харакктеризуеттся углом
м, то отсчеет ведетсяя от северра по
часовой стрелке. В этом сл
лучае, севвер будетт соответсствовать 0 0 (360), северо-воосток
- 450, воосток - 9900, юг - 1800, заапад - 27
700. При климатоологическ
кой обраб
ботке
наблюдеений над ветром строят
с
длля каждогго пунктаа диаграм
мму, пред
дставляю
ющую
собой рааспределеение поввторяемоссти напраавлений ветра поо основны
ым румбам –
«розу веттров».
Отт начала полярных кооррдинат откладыва
о
ают напрравление по рум
мбам
горизонтта отрезкками, длины котторых пр
ропорцион
нальны пповторяем
мости веетров
данного
направвления.
Концы
отрезко
ов
соед
диняютсяя
ломан
ной
лин
нией.
Повторяеемость штилей
ш
ук
казываютт числом в центрее диаграм
ммы. При
и построоении
розы веттров мож
жно учестть и средднюю ско
орость веетра по ккаждому направлению,
умноживв на нее повторяяемость дданного направлеения, тогдда графи
ик покаж
жет в
условных единицах количеество возддуха, пер
реносимогго ветрам
ми каждогго:
Ри
исунок 2.2
2. Роза ветров
Рисун
нок 2.4.