风力机空气动力学

风力机空气动力学
宋俊编著
机 械 工 业 出 版 社

本书全面和系统地介绍了风力机空气动力学相关知识。全书共分为11章，包括绪论、气体运动学基础、气体动力学基础、水平轴升力型风力机概论、风力机经典动力学理论、风力机典型动力学专题、风力机翼型绕流理论、风力机系统气动弹性耦合、风力机数值分析技术、风力机模型气动试验和垂直轴风力机空气动力特性。另外，在附录中还介绍了大气边界层内的风特性以及风电场中的风力机尾流。

本书适合作为大专院校教材及对从事风力机设计、制造和使用的人员进行培训的教学用书，也可以作为风力机爱好者的自学读物。

前言
主要物理量符号表
第1章绪论1
11风能的利用1
12风力机概要2
121基本参数2
122组成2
123分类3
13气体的物理性质3
131气体易流动性及可压缩性4
132气体的连续介质模型4
133气体的密度和重度4
134气体的压缩系数及热膨胀系数6
135气体的黏性7
136作用在气体上的力8
137大气压强及压强的表示方法9
14风力机空气动力学概述10
141基本特点10
142研究内容11
143研究方法11
习题12

第2章气体运动学基础13
21基本概念13
211流场及其描述1
212研究气体运动的方法16
213迹线和流线19
214流管、流量和平均流速20
215动能与功率22
22连续性方程22
23气体微团运动的分析25
24理想气体的有旋流动30
241基本概念30
242斯托克斯定理32
243汤姆逊定理和亥姆霍兹旋涡定理33
244旋涡的诱导速度34
25有势流动和速度势函数36
251速度有势36
252定密度无旋流动的基本方程38
253曲线的速度环量与速度势38
254等势面39
26平面流动和流函数39
261流函数定义39
262流函数的基本性质40
263流函数方程的物面边界条件42
264流函数与速度势42
27湍流模型43
271雷诺平均44
272连续性方程46
习题46

第3章气体动力学基础48
31基本概念48
311气体动力学的基本方程48
312理想气体中的应力48
313气体质点的加速度49
32定密度黏性气体的运动方程50
33理想气体运动微分方程53
331欧拉方程53
332兰姆葛罗米柯方程53
333佛里德曼方程54
34欧拉积分和伯努利积分55
341欧拉积分55
342伯努利积分56
343伯努利方程57
35压缩性气体的伯努利方程58
36起始条件和边界条件59
361起始条件60
362边界条件60
37动量方程和动量矩方程60
371动量方程60
372动量矩方程61
38边界层理论62
381边界层及其特征62
382边界层微分方程63
383边界层的分离64
384再附现象65
39绕圆柱体流动——卡门涡街66
310湍流运动微分方程67
3101湍流黏性系数模型67
3102标准kε模型68
习题69

第4章水平轴升力型风力机概论71
41水平轴升力型风力机综览71
42风轮75
421几何定义75
422物理参数76
43叶片与翼型77
431叶片的外部特征77
432翼型78
44叶素81
441作用在叶素上的空气动力82
442叶素上的阻力源84
443叶素气动特性影响因素85
45风力机的运行及控制86
451风轮所受的空气动力载荷86
452叶片数87
453风力机的调节特性88
454风力机的控制目标和方式88
习题90

第5章风力机经典动力学理论91
51一维动量理论与贝茨极限91
52简化旋转尾流模型94
521诱导速度最佳关系式95
522最佳气流倾角97
53叶素动量理论——气流诱导因子算法101
54叶素动量理论——气流干扰因子算法103
55风轮整体参数108
56风力机经典动力学理论比较108
57风力机的实际风能利用系数109
571空气阻力的影响110
572有限叶片数的影响111
58风力机动力学参数的修正112
581应用叶尖和轮毂损失系数的修正112
582应用风轮所受推力的修正114
583存在风轮锥角的修正116
59实际风力机的功率特性116
习题117

第6章风力机典型动力学专题118
61尾迹涡流理论118
611涡流模型118
612固定尾迹涡模型120
613预定尾迹涡模型123
614自由尾迹涡模型126
62叶片的三维效应及动态绕流129
621失速延迟129
622动态失速131
623动态入流效应133
63风力机偏航的空气动力模型133
631固定偏航时的动量定理134
632动态尾流算法136
633偏航／倾斜模型137
习题138

第7章风力机翼型绕流理论139
71定密度理想气体平面无旋流动的概述139
72复势与复速度139
721复势与复速度定义139
722解的可叠加性140
73典型的简单平面势流及其复势140
731均匀流140
732源与汇141
733点涡143
734偶极流144
74圆柱绕流147
741无环量圆柱绕流147
742有环量圆柱绕流149
75定常绕流中的物体受力152
751勃拉休斯合力及合力矩公式153
752库塔儒可夫斯基升力定理155
76物体绕流的保角变换方法157
761无分离流动保角变换方法的基本思想157
762物理平面与辅助平面上对应的流动关系157
763解析变换的唯一性定理159
764任意柱形物体绕流变换为圆柱绕流的一般形式160
77儒可夫斯基绕流变换162
771儒可夫斯基变换162
772儒可夫斯基翼型绕流167
78库塔儒可夫斯基假定171
781库塔条件171
782翼型绕流环量形成的物理过程172
783推广的库塔儒可夫斯基假定173
79薄翼理论与气动特性173
791薄翼型绕流的扰动速度势及其分解174
792攻角弯度问题及其求解176

为了满足教学的需求而撰写此书。希望有助于与风力机相关专业的学生更好地了解风力机空气动力学，并在此基础上创新和发展。

全书共分为11章。第1～4章，包括绪论、气体运动学基础、气体动力学基础、水平轴升力型风力机概论，主要介绍了基本概念和理论，是研究风力机空气动力学的基础；第5～8章，包括风力机经典动力学理论、风力机典型动力学专题、风力机翼型绕流理论和风力机系统气动弹性耦合，是风力机空气动力学的核心内容，考虑到不同层次读者的需求，各章的内容是相对独立的，读者和教师可以根据具体情况有所取舍。第9章、第10章，包括风力机数值分析技术和风力机模型气动试验，是风力机空气动力学学术研究的相关知识，可以作为研究人员、研究生选题、分析和试验的参考。以上内容主要针对水平轴升力型风力机。第11章介绍了垂直轴风力机空气动力特性，并与水平轴机型进行比较。另外，在附录中还介绍了大气边界层内的风特性以及风电场中的风力机尾流，这些内容是作为风力机空气动力学的背景知识介绍的，同时为正文提供了一些必要的概念和数据。为了便于教学和自学，书中编入了一些例题，每章后附加若干习题，计算题后附有最终答案。例题和习题都不追求复杂的运算，主要目的是为了巩固基本概念和理论。

本书在内容安排上力求理论与实际相结合。在介绍气体动力学时做到有的放矢，“的”就是风力机。凡是与风力机联系不大的内容则不涉及。在利用气体动力学研究风力机时，则力争做到重点突出，“重点”就是风力机空气动力特性。对于风力机的其他问题，也不在选项之内，以便有利于读者集中了解必须掌握的核心内容。

空气动力学应用的数学知识较多，有些物理和数学概念较抽象，描述现象的数学模型较复杂，初学者或许会遇到一些困难。但学习风力机空气动力学的目的不是去面对复杂的推导和对推导结果的死记硬背，而是要理解概念和理论的物理意义，掌握概念和理论的实际应用。风力机空气动力学自始至终都在强调如何抓住物理现象的本质和主要影响因素，如何针对具体背景将复杂的物理现象简化成可求解的数学模型，将分析结果表述为可理解、可应用的规律，这些思维方法和解决方案对于读者都是大有益处的。

最后，对参考文献中列举资料的作者深表感谢，这些资料都使本书的作者受益匪浅。另外，也期待广大读者的批评和建议。

作者于2019年1月