基于马格努斯效应新型风扇的研究

宋汉宇，高 宇，达伯阳，张希昊

（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

1 马格努斯效应的发展过程及应用现状

1672年，牛顿在观看了剑桥学院网球选手的比赛后，发现了网球不随直线运动这一现象，并正确描述了球表面的流速不同的缘由。1852年，德国物理学家马格努斯正式描述了这种效应，并对此效应进行详细的解释：把转动的圆柱体或圆球放入粘滞流体中，转动体产生环流与流体相互作用，使转动体周围的流体速度发生变化，造成流速不均匀，顺着转动方向的流体流速加快，产生的压强差形成可供利用的矢向力［1］。为了纪念马格努斯在此现象中的巨大贡献，后人将这一非线性复杂的力学现象命名为马格努斯效应。

从1999 年开始，全世界针对马格努斯效应的研究层出不穷，如董金刚等学者设计了一种用于马格努斯效应风洞试验的强迫旋转装置，通过试验模型弹体与电机控制系统一体化设计，解决了1.2 米量级的风洞因空间狭小而难以精确控制模型旋转的难题［2］；穆安乐等学者基于文丘里效应设计了马格努斯型直驱式风力发电机，该装置能够在微风（风速为2 m/s 以下）情况自驱发电，解决了偏远山区的电力供应问题［3］。

随着环保意识的不断加强，利用马格努斯效应对风扇进行优化，不消耗其他能源，不产生二次污染，在绿色环保和闲散资源利用上，有着不可比拟的优势。但是，作为独立的微型发电装置，目前还处于探索实验阶段。

2 设计理念及工作原理

2.1 设计理念

本文设计了一种基于马格努斯效应的新型风扇装置，如图1 所示。装置由风扇本体、辅助扇叶、发电装置所构成。辅助扇叶以风扇本体中轴为中心环绕分布，发电装置穿过中轴通过导线与整流稳压电路连接，然后连接到储能装置。与传统风扇相比，该装置在工作时可以高效利用流经辅助扇叶附近的风能，优化了机械结构，同时利用电磁感应原理产生电能，实现了节能环保的目的。

图1 基于马格努斯效应发电的风扇装置

2.2 工作原理

根据伯努利基本定理可知［4］：流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增大，这样就使旋转物体产生一个利于转动的横向力，如图2 所示。因此，根据马格努斯效应组装的叶片能够在节省电能的同时达到同样的工作效果，并利用电磁感应原理收集电能，通过整流储能装置进行收集。该装置将机械能转化成可用电能的过程如图3所示。

图2 马格努斯效应原理

图3 基本供电原理

利用马格努斯效应提高电能利用的关键在于辅助扇叶如何高效地利用马格努斯效应。通过设计辅助叶片的形状，产生马格努斯效应，在叶片的两侧产生不同的流速，形成压差，优化转轴的力学特性，同时带动发电装置的转轴切割磁感线产生电能，进一步回收能源，这样就在实际中降低了能源在转化过程中的损耗。同时，通过对风能利用率的研究发现：在马格努斯效应影响下，风能利用效率与自转速比存在密切关系，辅助扇叶的速度处于最佳自转速比附近［5］，如图4所示。

图4 风能利用效率与自转速比效率［5］

对于输送储能电路，直流稳压电源电路应用得越来越广泛，其性能好坏直接决定了发电的可靠性。直流稳压电源电路由变压器、整流电路、滤波器、稳压环节组成［6-7］。图5 为整流电路示意图，在稳压环节中采用了可调电阻，使得直流稳压电源的输出电压可以在一定范围内改变，进而改善了风力发电的稳定性［8］。

图5 整流电路

新型的风力回收装置与传统的微型风力发电装置相比，利用了马格努斯效应产生了机械能，加装的辅助扇叶提高了风能收集率与能量转化效率，并且容易组装。在相同风速下，马格努斯效应叶片较传统翼型叶片具有更大的升力系数［9］，从而能产生更大升力和功率，其节能效果和经济效益都大于传统风扇装置，具有广泛的应用前景。

3 测试结果分析

3.1 马格努斯效应发电装置的实验研究及参数分析

该装置加装了小型直流发电设备，永磁铁围绕定子环绕分布，定子与转轴联动，切割磁感线而产生电流［10］，然后利用储能装置将电能储存起来。实验过程中将普通风扇和节能风扇按先后摆在同一位置，调节至相同的挡位，用单摆周期法测量风速，用伏安法测量电流，重复多次后的数据如表1 和表2所示。

表1 普通风扇风速实验数据

表2 新型风扇风速实验数据

实验过程每隔10 s 测试1 次平均发电功率，通过matlab 进行计算，得出不同风速下装置的发电性能。

由风速平均值计算平均功率的公式如下［11-12］：

代入相关数据可知，普通风扇和节能风扇的平均风速分别为

对实验进一步分析：

综上可得电器参数如表3所示。

表3 电器参数

对实验总体分析可得节约的效率为

3.2 实验效益分析

带入试验数据后可知，10 s 内可节约电能为5.5 J，按每天平均使用风扇的时间为3 h 计算，一个小型掌心式风扇可节约的电能为

假设某地区有10 万台相同功率的风扇，那么可产生电能为

每年可节约标准煤量约为

4 结论

1）通过马格努斯及新颖的实验方法，验证了该装置的可行性。

2）通过计算可知，该装置每天工作3 h，可以收集到5 940 J 的可充电电能，大约可以节省9%的总电能，节约的电能可以满足一些小规模用电器的工作用电量，在一定程度上可以缓解用电压力。

3）该装置结构简单，成本低，安装维护方便，作为一种马格努斯现象与风力发电相结合的绿色发电装置，能够带来可观的电能回报，对减少煤炭、石油等化石能源的使用和减少环境污染有着深远的意义。