關鍵概念
物理學
風力發電
空氣動力學
導言
你見過風力渦輪機嗎？風力渦輪機是頂部帶有葉片的大型塔，葉片由風旋轉。它們是清潔可再生能源的一種來源。它們利用風旋轉葉片的運動來發電。但是，為了使渦輪機發揮最佳作用，環境工程師必須弄清楚在哪裡放置風力渦輪機，以便它們能夠最佳地暴露在穩定且持續的風中。在這個專案中，你將扮演環境工程師的角色，並弄清楚在靠近高層建築物的地方放置風力渦輪機是否是個好主意。
背景
你是否曾經觀察過水流過小溪或河流？如果沒有障礙物，水可能會以平滑的直線流動。這稱為層流。但是，如果水中有東西，例如岩石或樹枝，則會導致水在流過時旋轉和翻滾。這稱為湍流。單個的“漩渦”稱為渦流（渦流的複數形式）。
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當風吹過高層建築物（如建築物或樹木）時，空氣中也會發生同樣的情況。在放置風力渦輪機時，這是一個需要考慮的重要因素，因為它們將從沿相同方向吹的穩定風中產生最大的電力。不穩定的湍流會降低功率輸出，甚至損壞渦輪機。在這個專案中，你將使用紙板箱來代表“建築物”，並檢視它們如何影響風扇吹來的“風”的流動。
當然，空氣中的湍流比湍急的河流更難讓我們看到！有時，科學家會使用有色煙霧進行受控實驗以觀察氣流。在這個專案中，你將使用綁在棍子末端的飄帶視覺化氣流。
材料
風扇
棍子或杆子，幾英尺長
飄帶，幾英寸長
紙板箱（紙箱的大小取決於風扇的大小—風扇越大，紙箱就越大。如果紙箱是空的，你可能需要放一些東西在裡面以使其穩定。）
準備工作
將紙板箱放置在離風扇幾英尺的地方，風扇指向紙箱。
將飄帶系在棍子的末端。
步驟
開啟風扇。
站到一側，使身體不會干擾氣流，使用棍子將飄帶保持在盒子“上風”處（在面向風扇的盒子一側）。飄帶朝哪個方向吹？它的運動是否一致？你認為這顯示的是湍流還是層流？
現在將飄帶移到盒子的“下風”側（在背對風扇的盒子一側），但使其非常靠近盒子。現在飄帶會發生什麼？該區域的流動是湍流還是層流？
逐漸將飄帶從下風側向遠離盒子的地方移動。當你將飄帶移離盒子較遠時會發生什麼？這暗示了氣流的什麼？
關於高層建築附近的氣流，你可以得出什麼結論？這會如何影響風力渦輪機的放置？
額外：檢視如果更改風扇速度，結果會如何變化。
額外：嘗試使用不同大小的盒子進行相同的活動。結果如何變化？
額外：嘗試使用不同或不規則形狀的物體（例如傢俱或盆栽植物）進行活動。結果如何變化？
額外：在颳風的日子裡，將你的棍子和飄帶帶到室外。確定風向，並找到大型物體（如建築物或樹木）來測試氣流。如果你將飄帶放在建築物拐角附近或樹後，會發生什麼？
[中斷]
觀察和結果
當你將飄帶保持在盒子的“上風”處時，你應當看到它始終朝一個方向吹，遠離風扇。這是因為結構上風的流動是層流（或直線）。但是，當你將飄帶保持在盒子的“下風”處時，它可能會向各個方向飄動，甚至向後吹。這是因為該結構會中斷平穩的流動並導致湍流。當您逐漸將飄帶移離下風側時，其運動應再次變得一致，向遠離風扇的方向吹。這是因為在引入湍流之後，流動會逐漸“恢復”並再次變為層流。
在放置風力渦輪機時，這非常重要，因為它們不應太靠近“下風”側的大型建築物。建築物會產生湍流，從而降低風力渦輪機的效能。
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