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引言

你见过风力涡轮机吗?风力涡轮机是巨大的塔,顶部装有叶片依靠风力驱动旋转。这是一种清洁、可再生的能源。风力涡轮机利用风力旋转叶片来发电。但为了使涡轮机处于最佳工作状态,环境工程师需要计算出在哪里放置风力涡轮机,以便它们能处于最佳风口,获得稳定的、一致的风。在这个项目中,你将扮演一个环境工程师的角色,并弄清楚把风力涡轮机放在高层建筑附近是否是个好主意。

第 1 段(可获 1.26 积分)

背景

你曾经观察过小溪或河流的水流吗?如果水里没有障碍物,水可能平稳地直线流动。这就是所谓的层流。但是,如果水里有东西,如岩石或树枝,这会使水在流动的同时旋转和翻滚。这被称为湍流。漩涡被称为vortices(vortex复数)。

当风吹过一个高大的建筑,如大楼或树木,空中也会发生同样的事。放置风力涡轮机时,这是一个重要的考虑因素时,因为风稳定地吹在同一方向上,风力涡轮机将产生最大电力。不稳定的湍流会降低功率输出,甚至损坏涡轮机。在这个项目中,你将使用纸板箱来代表“建筑物”,看看它们如何影响从风扇吹出的“风”的流动。

第 2 段(可获 1.99 积分)

当然,空气中的湍流比水中的湍流更难看到!有时,科学家做控制实验时,用彩色的烟雾来观察气流。在这个项目中,你将使用一片粘在棍子末端的彩色纸带,以使气流可视化。

材料

  • 风扇
  • 几英尺长的棒或杆
  • 几英寸长的彩色纸带
  • 纸箱(盒的大小取决于风扇的大小——风扇越大,盒子越大。如果盒子是空的,你可能需要往里面加些东西,以加重重量。)

准备

  • 把纸箱放在离风扇几英尺的地方,风扇指着盒子。
  • 把彩色纸带粘在棍子末端。
第 3 段(可获 1.6 积分)

流程

  • 把风扇打开。
  • 站在一边,让你的身体不干扰气流,用棍子使纸带处于盒子的“上风”处(盒子侧面对着风扇)。纸带吹向哪个方向?它的运动一致吗?你认为这显示了湍流或层流吗?
  • 现在移动纸带至盒子的“下风”处(盒子侧面不要对着风扇),但相当接近盒子。纸带现在发生了什么?这个区域的气流发生湍流或层流了吗?
  • 在下风处逐渐把纸带移动地离盒子越来越远。此时会发生什么?气流表明什么呢?
  • 你能得出关于高层建筑附近的气流的结论是什么?这将如何影响风力涡轮机的放置?
  • 另: 如果你改变风扇的速度,看看结果如何改变。
  • 另: 尝试用不同大小的盒子做同一实验。结果如何改变?
  • 另: 尝试用不同或不规则形状的物体做同一实验,如家具或室内植物。结果如何改变?
  • 另: 在有风的一天,把棍子和纸带拿到户外。确定风向,并找到大的物体,如建筑物或树木来测试气流。如果你把纸带拿到建筑物的角落附近或树后面,会发生什么?
第 4 段(可获 3.15 积分)

观察和结果

当你把纸带放在盒子的“上风”处,你应该看到它不断向一个方向吹,远离风扇。这是因为结构体迎风面的是层流(或直线)。但是,当你把纸带放在盒子的“下风”处,它可能朝四面八方吹甚至向后吹。这是因为结构体阻断了平滑的流动,并导致湍流。当你逐渐把纸带移向下风处,其运动应该再次变得一致,吹离风扇。这是因为风向逐渐“恢复”,并在湍流形成后再次成为层流。

安装风力发电机时,这点很重要,因为它们不应该太靠近大型建筑物的“下风”的一面。建筑物将产生湍流,这将降低风力涡轮机的性能。

第 5 段(可获 1.86 积分)

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