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第1章 概论 1

1.1 风力机空气动力学的含义 1

1.2 习题 3

参考文献 4

第2章 风力机类型 5

2.1 水平轴风力机的历史回顾和发展现状 5

2.2 非标准水平轴风力机 6

2.3 小型风力机 7

2.4 垂直轴风力机 8

2.5 扩散体增强型风力机 9

2.6 阻力式风力机 10

2.7 反向旋转风力机 12

2.8 小结 13

2.9 习题 13

参考文献 13

第3章 流体力学基础 15

3.1 空气的基本属性 15

3.2 流体力学定律积分表达式 15

3.2.1 质量守恒 15

3.2.2 动量守恒 16

3.2.3 能量守恒 17

3.3 流体运动微分方程 18

3.3.1 微分表达式下的连续方程 18

3.3.2 动量守恒 18

3.3.3 能量微分方程 19

3.4 黏度和纳维—斯托克斯方程 19

3.5 势流 20

3.5.1 常见3D势流 20

3.5.2 2D势附流 21

3.5.3 在半无限薄板后的2D势流 24

3.5.4 2D分离流 25

3.6 涡度的流体力学公式 25

3.6.1 流动和力 26

3.6.2 薄翼型理论 27

3.6.3 涡流片 28

3.6.4 无黏流中的涡流 28

3.7 边界层理论 29

3.7.1 边界层的概念 29

3.7.2 压力梯度与边界层 31

3.7.3 积分边界层方程 31

3.8 层流稳定性 33

3.9 湍流 35

3.9.1 引言 35

3.9.2 湍流数学理论 36

3.9.3 湍流的物理学基础 36

3.9.4 Kolmogorov理论 37

3.9.5 耗散尺度 39

3.9.6 湍流的随机过程阐释 41

3.9.7 湍流边界层 41

3.9.8 壁面的对数法则 42

3.10 在低层大气中的湍流风 43

3.11 习题 44

参考文献 45

第4章 风力机的入流条件 47

4.1 入流条件对风轮性能的重要性 47

4.2 风剪切 47

4.3 不稳定气流与湍流 48

4.4 测风 49

4.5 合成风 51

4.6 习题 52

参考文献 53

第5章 动量理论 54

5.1 一维动量理论 54

5.1.1 外力 54

5.1.2 功率 55

5.1.3 关于Betz-Joukovski极限的评论 56

5.2 一般动量理论 57

5.3 一般动量理论的局限和扩展 61

5.4 叶素动量理论 61

5.4.1 原始公式 61

5.4.2 工程修正 62

5.4.3 与真实风轮设计的对比 65

5.5 最佳风轮Ⅰ 66

5.6 垂直风轮 66

5.7 习题 68

参考文献 70

第6章 涡流理论的应用 72

6.1 风力机气流中的涡流 72

6.2 案例分析 73

6.3 涡斑 74

6.4 涡线 75

6.4.1 有限长涡线 75

6.4.2 涡核尺寸的初步观察 75

6.4.3 螺旋涡线 76

6.5 螺旋涡面 77

6.6 流函数涡量理论 81

6.6.1 非线性致动盘理论 81

6.6.2 风力机中的应用 83

6.7 第二种优化旋翼 85

6.8 习题 85

参考文献 87

第7章 计算流体力学的应用 89

7.1 引言 89

7.2 预处理 90

7.3 求解数值方程 93

7.3.1 微分方程的离散化 93

7.3.2 边界条件 93

7.3.3 代数方程的数值处理 94

7.4 后处理：显示并检验结果 94

7.5 CFD中湍流的建模 94

7.5.1 Prandtl混合长度模型 95

7.5.2 单方程模型 95

7.5.3 Spalart-Allmaras模型 96

7.5.4 双方程模型 97

7.5.5 标准k-ε模型 98

7.5.6 k-ε模型与重整化群理论 98

7.5.7 湍流物理量在近壁情况下的边界条件 99

7.5.8 低雷诺数模型 100

7.5.9 Menter剪应力传递模型 100

7.5.10 Reynolds应力模型 101

7.5.11 直接数值模拟 102

7.5.12 大涡模拟模型（LES） 102

7.6 转捩流动 103

7.7 风力机旋翼的致动盘和致动线模型 104

7.7.1 模型描述和案例 104

7.7.2 有限叶片数量的叶素动量理论改进模型 106

7.8 风力机风轮的全尺寸CFD模型 106

7.8.1 NERL Phase Ⅵ风力机 106

7.8.2 MEXICO旋翼 109

7.8.3 商用风力机 112

7.9 CFD应用的总结 114

7.10 习题 115

参考文献 118

第8章 相关实验 121

8.1 二维翼型数据的测量 121

8.2 风力机功率曲线的测量 124

8.3 IEAwind Field Rotor实验 125

8.3.1 国际能源署与风能协议组 125

8.3.2 IEAwind课题组附录AnnexⅩⅣ和ⅩⅧ 126

8.3.3 三维架构中的攻角 127

8.4 FFA/CARDC风洞实验 128

8.5 NREL NASA-Ames风洞实验 128

8.6 MEXICO与Mex Next 130

8.6.1 2006年实验 130

8.6.2 MexNext数据利用 132

8.6.3 偏航中的风力机 134

8.7 边界层实验 135

8.7.1 引言 135

8.7.2 风力机叶片上的层流部分 136

8.7.3 DAN-AERO MW实验 137

8.7.4 热膜测量 137

8.8 风力机动力学实验总结 141

8.9 习题 141

参考文献 141

第9章 气动对桨叶设计的影响 145

9.1 桨叶设计的任务 145

9.2 风力机桨叶的翼型 146

9.3 空气动力装置 146

9.3.1 涡流发生器 147

9.3.2 Gurney襟翼 147

9.4 结构设计和生产 149

9.4.1 结构设计 149

9.4.2 生产 151

9.5 现代桨叶的形状实例 152

9.6 习题 153

参考文献 154

第10章 关于未来发展的总结 156

10.1 当前发展状况 156

10.2 发展趋势 156

10.3 展望 157

参考文献 158

附录 159

解答 159

A.1 章节1.2习题解答 159

A.2 章节2.9习题解答 160

A.3 章节3.11习题解答 161

A.4 章节4.6习题解答 164

A.5 章节5.7习题解答 166

A.6 章节6.8习题解答 178

A.7 章节7.10习题解答 189

A.8 章节8.9习题解答 194

A.9 章节9.6习题解答 195

参考文献 204