風力機空氣動力學
宋俊編著
機 械 工 業(yè) 出 版 社
本書全面和系統(tǒng)地介紹了風力機空氣動力學相關知識。全書共分為11章,包括緒論、氣體運動學基礎、氣體動力學基礎、水平軸升力型風力機概論、風力機經(jīng)典動力學理論、風力機典型動力學專題、風力機翼型繞流理論、風力機系統(tǒng)氣動彈性耦合、風力機數(shù)值分析技術、風力機模型氣動試驗和垂直軸風力機空氣動力特性。另外,在附錄中還介紹了大氣邊界層內(nèi)的風特性以及風電場中的風力機尾流。
本書適合作為大專院校教材及對從事風力機設計、制造和使用的人員進行培訓的教學用書,也可以作為風力機愛好者的自學讀物。
為了滿足教學的需求而撰寫此書。希望有助于與風力機相關專業(yè)的學生更好地了解風力機空氣動力學,并在此基礎上創(chuàng)新和發(fā)展。
全書共分為11章。第1~4章,包括緒論、氣體運動學基礎、氣體動力學基礎、水平軸升力型風力機概論,主要介紹了基本概念和理論,是研究風力機空氣動力學的基礎;第5~8章,包括風力機經(jīng)典動力學理論、風力機典型動力學專題、風力機翼型繞流理論和風力機系統(tǒng)氣動彈性耦合,是風力機空氣動力學的核心內(nèi)容,考慮到不同層次讀者的需求,各章的內(nèi)容是相對獨立的,讀者和教師可以根據(jù)具體情況有所取舍。第9章、第10章,包括風力機數(shù)值分析技術和風力機模型氣動試驗,是風力機空氣動力學學術研究的相關知識,可以作為研究人員、研究生選題、分析和試驗的參考。以上內(nèi)容主要針對水平軸升力型風力機。第11章介紹了垂直軸風力機空氣動力特性,并與水平軸機型進行比較。另外,在附錄中還介紹了大氣邊界層內(nèi)的風特性以及風電場中的風力機尾流,這些內(nèi)容是作為風力機空氣動力學的背景知識介紹的,同時為正文提供了一些必要的概念和數(shù)據(jù)。為了便于教學和自學,書中編入了一些例題,每章后附加若干習題,計算題后附有最終答案。例題和習題都不追求復雜的運算,主要目的是為了鞏固基本概念和理論。
本書在內(nèi)容安排上力求理論與實際相結合。在介紹氣體動力學時做到有的放矢,的就是風力機。凡是與風力機聯(lián)系不大的內(nèi)容則不涉及。在利用氣體動力學研究風力機時,則力爭做到重點突出,重點就是風力機空氣動力特性。對于風力機的其他問題,也不在選項之內(nèi),以便有利于讀者集中了解必須掌握的核心內(nèi)容。
空氣動力學應用的數(shù)學知識較多,有些物理和數(shù)學概念較抽象,描述現(xiàn)象的數(shù)學模型較復雜,初學者或許會遇到一些困難。但學習風力機空氣動力學的目的不是去面對復雜的推導和對推導結果的死記硬背,而是要理解概念和理論的物理意義,掌握概念和理論的實際應用。風力機空氣動力學自始至終都在強調(diào)如何抓住物理現(xiàn)象的本質(zhì)和主要影響因素,如何針對具體背景將復雜的物理現(xiàn)象簡化成可求解的數(shù)學模型,將分析結果表述為可理解、可應用的規(guī)律,這些思維方法和解決方案對于讀者都是大有益處的。
最后,對參考文獻中列舉資料的作者深表感謝,這些資料都使本書的作者受益匪淺。另外,也期待廣大讀者的批評和建議。
作者于2019年1月
前言
主要物理量符號表
第1章緒論1
11風能的利用1
12風力機概要2
121基本參數(shù)2
122組成2
123分類3
13氣體的物理性質(zhì)3
131氣體易流動性及可壓縮性4
132氣體的連續(xù)介質(zhì)模型4
133氣體的密度和重度4
134氣體的壓縮系數(shù)及熱膨脹系數(shù)6
135氣體的黏性7
136作用在氣體上的力8
137大氣壓強及壓強的表示方法9
14風力機空氣動力學概述10
141基本特點10
142研究內(nèi)容11
143研究方法11
習題12
第2章氣體運動學基礎13
21基本概念13
211流場及其描述1
212研究氣體運動的方法16
213跡線和流線19
214流管、流量和平均流速20
215動能與功率22
22連續(xù)性方程22
23氣體微團運動的分析25
24理想氣體的有旋流動30
241基本概念30
242斯托克斯定理32
243湯姆遜定理和亥姆霍茲旋渦定理33
244旋渦的誘導速度34
25有勢流動和速度勢函數(shù)36
251速度有勢36
252定密度無旋流動的基本方程38
253曲線的速度環(huán)量與速度勢38
254等勢面39
26平面流動和流函數(shù)39
261流函數(shù)定義39
262流函數(shù)的基本性質(zhì)40
263流函數(shù)方程的物面邊界條件42
264流函數(shù)與速度勢42
27湍流模型43
271雷諾平均44
272連續(xù)性方程46
習題46
第3章氣體動力學基礎48
31基本概念48
311氣體動力學的基本方程48
312理想氣體中的應力48
313氣體質(zhì)點的加速度49
32定密度黏性氣體的運動方程50
33理想氣體運動微分方程53
331歐拉方程53
332蘭姆葛羅米柯方程53
333佛里德曼方程54
34歐拉積分和伯努利積分55
341歐拉積分55
342伯努利積分56
343伯努利方程57
35壓縮性氣體的伯努利方程58
36起始條件和邊界條件59
361起始條件60
362邊界條件60
37動量方程和動量矩方程60
371動量方程60
372動量矩方程61
38邊界層理論62
381邊界層及其特征62
382邊界層微分方程63
383邊界層的分離64
384再附現(xiàn)象65
39繞圓柱體流動卡門渦街66
310湍流運動微分方程67
3101湍流黏性系數(shù)模型67
3102標準kε模型68
習題69
第4章水平軸升力型風力機概論71
41水平軸升力型風力機綜覽71
42風輪75
421幾何定義75
422物理參數(shù)76
43葉片與翼型77
431葉片的外部特征77
432翼型78
44葉素81
441作用在葉素上的空氣動力82
442葉素上的阻力源84
443葉素氣動特性影響因素85
45風力機的運行及控制86
451風輪所受的空氣動力載荷86
452葉片數(shù)87
453風力機的調(diào)節(jié)特性88
454風力機的控制目標和方式88
習題90
第5章風力機經(jīng)典動力學理論91
51一維動量理論與貝茨極限91
52簡化旋轉尾流模型94
521誘導速度最佳關系式95
522最佳氣流傾角97
53葉素動量理論氣流誘導因子算法101
54葉素動量理論氣流干擾因子算法103
55風輪整體參數(shù)108
56風力機經(jīng)典動力學理論比較108
57風力機的實際風能利用系數(shù)109
571空氣阻力的影響110
572有限葉片數(shù)的影響111
58風力機動力學參數(shù)的修正112
581應用葉尖和輪轂損失系數(shù)的修正112
582應用風輪所受推力的修正114
583存在風輪錐角的修正116
59實際風力機的功率特性116
習題117
第6章風力機典型動力學專題118
61尾跡渦流理論118
611渦流模型118
612固定尾跡渦模型120
613預定尾跡渦模型123
614自由尾跡渦模型126
62葉片的三維效應及動態(tài)繞流129
621失速延遲129
622動態(tài)失速131
623動態(tài)入流效應133
63風力機偏航的空氣動力模型133
631固定偏航時的動量定理134
632動態(tài)尾流算法136
633偏航/傾斜模型137
習題138
第7章風力機翼型繞流理論139
71定密度理想氣體平面無旋流動的概述139
72復勢與復速度139
721復勢與復速度定義139
722解的可疊加性140
73典型的簡單平面勢流及其復勢140
731均勻流140
732源與匯141
733點渦143
734偶極流144
74圓柱繞流147
741無環(huán)量圓柱繞流147
742有環(huán)量圓柱繞流149
75定常繞流中的物體受力152
751勃拉休斯合力及合力矩公式153
752庫塔儒可夫斯基升力定理155
76物體繞流的保角變換方法157
761無分離流動保角變換方法的基本思想157
762物理平面與輔助平面上對應的流動關系157
763解析變換的唯一性定理159
764任意柱形物體繞流變換為圓柱繞流的一般形式160
77儒可夫斯基繞流變換162
771儒可夫斯基變換162
772儒可夫斯基翼型繞流167
78庫塔儒可夫斯基假定171
781庫塔條件171
782翼型繞流環(huán)量形成的物理過程172
783推廣的庫塔儒可夫斯基假定173
79薄翼理論與氣動特性173
791薄翼型繞流的擾動速度勢及其分解174
792攻角彎度問題及其求解176