基于馬格努斯效應(yīng)新型風(fēng)扇的研究

宋漢宇，高 宇，達(dá)伯陽(yáng)，張希昊

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 馬格努斯效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程及應(yīng)用現(xiàn)狀

1672年，牛頓在觀看了劍橋?qū)W院網(wǎng)球選手的比賽后，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)球不隨直線運(yùn)動(dòng)這一現(xiàn)象，并正確描述了球表面的流速不同的緣由。1852年，德國(guó)物理學(xué)家馬格努斯正式描述了這種效應(yīng)，并對(duì)此效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的解釋：把轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體或圓球放入粘滯流體中，轉(zhuǎn)動(dòng)體產(chǎn)生環(huán)流與流體相互作用，使轉(zhuǎn)動(dòng)體周?chē)牧黧w速度發(fā)生變化，造成流速不均勻，順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向的流體流速加快，產(chǎn)生的壓強(qiáng)差形成可供利用的矢向力［1］。為了紀(jì)念馬格努斯在此現(xiàn)象中的巨大貢獻(xiàn)，后人將這一非線性復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象命名為馬格努斯效應(yīng)。

從1999 年開(kāi)始，全世界針對(duì)馬格努斯效應(yīng)的研究層出不窮，如董金剛等學(xué)者設(shè)計(jì)了一種用于馬格努斯效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)的強(qiáng)迫旋轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷楏w與電機(jī)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，解決了1.2 米量級(jí)的風(fēng)洞因空間狹小而難以精確控制模型旋轉(zhuǎn)的難題［2］；穆安樂(lè)等學(xué)者基于文丘里效應(yīng)設(shè)計(jì)了馬格努斯型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該裝置能夠在微風(fēng)（風(fēng)速為2 m/s 以下）情況自驅(qū)發(fā)電，解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)的電力供應(yīng)問(wèn)題［3］。

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，利用馬格努斯效應(yīng)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化，不消耗其他能源，不產(chǎn)生二次污染，在綠色環(huán)保和閑散資源利用上，有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是，作為獨(dú)立的微型發(fā)電裝置，目前還處于探索實(shí)驗(yàn)階段。

2 設(shè)計(jì)理念及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)理念

本文設(shè)計(jì)了一種基于馬格努斯效應(yīng)的新型風(fēng)扇裝置，如圖1 所示。裝置由風(fēng)扇本體、輔助扇葉、發(fā)電裝置所構(gòu)成。輔助扇葉以風(fēng)扇本體中軸為中心環(huán)繞分布，發(fā)電裝置穿過(guò)中軸通過(guò)導(dǎo)線與整流穩(wěn)壓電路連接，然后連接到儲(chǔ)能裝置。與傳統(tǒng)風(fēng)扇相比，該裝置在工作時(shí)可以高效利用流經(jīng)輔助扇葉附近的風(fēng)能，優(yōu)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。

圖1 基于馬格努斯效應(yīng)發(fā)電的風(fēng)扇裝置

2.2 工作原理

根據(jù)伯努利基本定理可知［4］：流體速度增加將導(dǎo)致壓強(qiáng)減小，流體速度減小將導(dǎo)致壓強(qiáng)增大，這樣就使旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生一個(gè)利于轉(zhuǎn)動(dòng)的橫向力，如圖2 所示。因此，根據(jù)馬格努斯效應(yīng)組裝的葉片能夠在節(jié)省電能的同時(shí)達(dá)到同樣的工作效果，并利用電磁感應(yīng)原理收集電能，通過(guò)整流儲(chǔ)能裝置進(jìn)行收集。該裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成可用電能的過(guò)程如圖3所示。

圖2 馬格努斯效應(yīng)原理

圖3 基本供電原理

利用馬格努斯效應(yīng)提高電能利用的關(guān)鍵在于輔助扇葉如何高效地利用馬格努斯效應(yīng)。通過(guò)設(shè)計(jì)輔助葉片的形狀，產(chǎn)生馬格努斯效應(yīng)，在葉片的兩側(cè)產(chǎn)生不同的流速，形成壓差，優(yōu)化轉(zhuǎn)軸的力學(xué)特性，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)軸切割磁感線產(chǎn)生電能，進(jìn)一步回收能源，這樣就在實(shí)際中降低了能源在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損耗。同時(shí)，通過(guò)對(duì)風(fēng)能利用率的研究發(fā)現(xiàn)：在馬格努斯效應(yīng)影響下，風(fēng)能利用效率與自轉(zhuǎn)速比存在密切關(guān)系，輔助扇葉的速度處于最佳自轉(zhuǎn)速比附近［5］，如圖4所示。

圖4 風(fēng)能利用效率與自轉(zhuǎn)速比效率［5］

對(duì)于輸送儲(chǔ)能電路，直流穩(wěn)壓電源電路應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，其性能好壞直接決定了發(fā)電的可靠性。直流穩(wěn)壓電源電路由變壓器、整流電路、濾波器、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)組成［6-7］。圖5 為整流電路示意圖，在穩(wěn)壓環(huán)節(jié)中采用了可調(diào)電阻，使得直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓可以在一定范圍內(nèi)改變，進(jìn)而改善了風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性［8］。

圖5 整流電路

新型的風(fēng)力回收裝置與傳統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電裝置相比，利用了馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)生了機(jī)械能，加裝的輔助扇葉提高了風(fēng)能收集率與能量轉(zhuǎn)化效率，并且容易組裝。在相同風(fēng)速下，馬格努斯效應(yīng)葉片較傳統(tǒng)翼型葉片具有更大的升力系數(shù)［9］，從而能產(chǎn)生更大升力和功率，其節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益都大于傳統(tǒng)風(fēng)扇裝置，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 馬格努斯效應(yīng)發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)分析

該裝置加裝了小型直流發(fā)電設(shè)備，永磁鐵圍繞定子環(huán)繞分布，定子與轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)，切割磁感線而產(chǎn)生電流［10］，然后利用儲(chǔ)能裝置將電能儲(chǔ)存起來(lái)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將普通風(fēng)扇和節(jié)能風(fēng)扇按先后擺在同一位置，調(diào)節(jié)至相同的擋位，用單擺周期法測(cè)量風(fēng)速，用伏安法測(cè)量電流，重復(fù)多次后的數(shù)據(jù)如表1 和表2所示。

表1 普通風(fēng)扇風(fēng)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 新型風(fēng)扇風(fēng)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程每隔10 s 測(cè)試1 次平均發(fā)電功率，通過(guò)matlab 進(jìn)行計(jì)算，得出不同風(fēng)速下裝置的發(fā)電性能。

由風(fēng)速平均值計(jì)算平均功率的公式如下［11-12］：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可知，普通風(fēng)扇和節(jié)能風(fēng)扇的平均風(fēng)速分別為

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析：

綜上可得電器參數(shù)如表3所示。

表3 電器參數(shù)

對(duì)實(shí)驗(yàn)總體分析可得節(jié)約的效率為

3.2 實(shí)驗(yàn)效益分析

帶入試驗(yàn)數(shù)據(jù)后可知，10 s 內(nèi)可節(jié)約電能為5.5 J，按每天平均使用風(fēng)扇的時(shí)間為3 h 計(jì)算，一個(gè)小型掌心式風(fēng)扇可節(jié)約的電能為

假設(shè)某地區(qū)有10 萬(wàn)臺(tái)相同功率的風(fēng)扇，那么可產(chǎn)生電能為

每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量約為

4 結(jié)論

1）通過(guò)馬格努斯及新穎的實(shí)驗(yàn)方法，驗(yàn)證了該裝置的可行性。

2）通過(guò)計(jì)算可知，該裝置每天工作3 h，可以收集到5 940 J 的可充電電能，大約可以節(jié)省9%的總電能，節(jié)約的電能可以滿足一些小規(guī)模用電器的工作用電量，在一定程度上可以緩解用電壓力。

3）該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，安裝維護(hù)方便，作為一種馬格努斯現(xiàn)象與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的綠色發(fā)電裝置，能夠帶來(lái)可觀的電能回報(bào)，對(duì)減少煤炭、石油等化石能源的使用和減少環(huán)境污染有著深遠(yuǎn)的意義。