风力机空气动力性能计算方法

目录
前言
**篇 风力机空气动力学基础
第1章 空气的物理性质 3
1.1 连续介质假设 3
1.2 压强、密度和温度 3
1.2.1 压强、密度和温度的定义 3
1.2.2 理想气体状态方程 4
1.3 压缩性、黏性和传热性 5
1.3.1 压缩性 5
1.3.2 黏性 6
1.3.3 传热性 7
1.4 无黏假设和不可压缩假设 8
1.4.1 无黏假设 8
1.4.2 不可压缩假设 8
参考文献 8
第2章 空气运动的描述 10
2.1 流体微团的运动 10
2.1.1 流体微团运动的分析 10
2.1.2 速度散度及其物理意义 13
2.1.3 旋度与速度位 13
2.2 连续方程 14
2.3 无黏流动的运动方程 15
2.3.1 欧拉运动方程 15
2.3.2 伯努利方程 18
2.4 黏性流动的运动方程 19
2.5 黏性边界层 21
2.5.1 边界层的概念 21
2.5.2 边界层的厚度 22
2.5.3 边界层的压强特性 24
2.5.4 边界层方程 24
2.5.5 边界层的分离 25
2.6 湍流的基本概念 26
2.7 大气边界层湍流风 29
2.7.1 大气边界层的基本特点 29
2.7.2 平均风速特性 30
2.7.3 脉动风速特性 30
参考文献 32
第3章 翼型的基础知识 33
3.1 翼型的几何形状 33
3.1.1 翼型的几何参数 33
3.1.2 常用翼型的编号 34
3.1.3 翼型几何的参数化表达 35
3.2 翼型的空气动力 37
3.2.1 翼型的绕流 37
3.2.2 翼型的空气动力系数 38
3.2.3 翼型的空气动力特性 39
参考文献 41
第二篇 叶素动量方法
第4章 定常叶素动量方法 45
4.1 动量理论 45
4.2 叶素动量理论 47
4.3 叶片数的影响 51
4.4 高推力系数的影响 52
4.5 叶素动量方法的迭代求解 53
4.6 计算实例 55
参考文献 57
第5章 修正模型 59
5.1 叶尖损失修正模型 59
5.1.1 Prandtl模型 59
5.1.2 Glauert系列模型 61
5.1.3 Goldstein模型 62
5.1.4 Shen模型 62
5.1.5 叶根修正 63
5.2 三维旋转效应模型 64
5.2.1 **类模型 65
5.2.2 第二类模型 66
5.3 动态失速模型 67
5.3.1 Beddoes-Leishman模型 69
5.3.2.ye模型 76
5.3.3 ONERA模型 77
5.3.4 Boeing-Vertol模型 78
5.3.5 动态失速模型与三维旋转效应的耦合 78
参考文献 81
第6章 非定常叶素动量方法 84
6.1 坐标变换 84
6.2 诱导速度的计算 87
6.3 动态入流模型 88
6.4 动态尾流模型 90
6.5 偏航/倾斜模型 91
6.6 非定常叶素动量方法的计算步骤 92
参考文献 94
第三篇 涡尾迹方法
第7章 涡流理论基础 97
7.1 涡线、涡管及旋涡强度 97
7.2 速度环量和斯托克斯定理 99
7.3 毕奥-萨伐尔定律 103
7.4 涡模型 104
7.4.1 涡核模型 104
7.4.2 涡核半径和耗散模型 107
7.5 亥姆霍兹旋涡定理 108
7.6 库塔-茹科夫斯基升力定理 109
7.6.1 绕圆柱的有环量流动 109
7.6.2 环量与升力 111
参考文献 113
第8章 涡尾迹计算模型 114
8.1 坐标系定义 114
8.2 涡系模型 116
8.2.1 叶片涡系模型 116
8.2.2 尾迹涡系模型 118
8.3 预定涡尾迹模型 120
8.4 自由涡尾迹模型 122
8.4.1 涡线控制方程 122
8.4.2 初始尾迹描述 123
8.5 流场计算 123
8.5.1 尾迹离散 123
8.5.2 附着涡环量计算 124
8.5.3 风轮气动性能计算 125
8.5.4 诱导速度的计算 126
参考文献 129
第9章 风力机气动性能的求解 132
9.1 定常预定涡尾迹的求解 132
9.1.1 求解流程 132
9.1.2 计算算例 135
9.2 定常自由涡尾迹的求解 135
9.2.1 松弛迭代法 135
9.2.2 求解流程 137
9.2.3 计算算例 138
9.3 非定常预定涡尾迹方法 139
9.3.1 来流风速计算 139
9.3.2 诱导速度 141
9.3.3 与动态失速模型的耦合 142
9.3.4 计算算例 143
9.4 非定常自由涡尾迹方法 143
9.4.1 时间步进法 143
9.4.2 计算步骤 147
9.4.3 计算算例 147
参考文献 148
第四篇 计算流体力学方法
第10章 计算流体力学基础 151
10.1 计算流体力学概述 151
10.2 不可压黏性流体力学问题的数学描述 152
10.3 湍流模拟简介 153
10.3.1 直接数值模拟方法(DNS) 154
10.3.2 大涡模拟方法(LES) 154
10.3.3 雷诺平均方法(RANS) 155
10.4 数值离散方法简介 156
10.4.1 有限差分法 157
10.4.2 有限元法 158
10.4.3 有限体积法 159
10.5 基于有限体积法的数值求解 160
10.5.1 SIMPLE算法 160
10.5.2 PISO算法 162
10.6 网格生成与后处理简介 163
10.6.1 网格生成 163
10.6.2 后处理 164
10.7 CFD方法在风力机上的应用 165
参考文献 166
第11章 风力机气动性能的数值模拟 168
11.1 控制方程及其离散 168
11.1.1 控制方程 168
11.1.2 空间离散 169
11.1.3 时间离散 170
11.2 湍流模型 170
11.2.1 零方程模型 170
11.2.2 一方程模型 170
11.2.3 二方程模型 171
11.2.4 湍流模型的选取 174
11.3 转捩预测方法 175
11.3.1 Michel模型 175
11.3.2 y-Re模型 175
11.4 初始条件和边界条件 178
11.4.1 入口边界 179
11.4.2 出口边界 179
11.4.3 旋转周期边界 179
11.4.4 壁面边界 179
11.5 数值模拟网格 180
11.5.1 二维翼型的网格描述 180
11.5.2 旋转风轮的网格描述 181
11.6 数值模拟实例 183
11.6.1 全湍流模拟与转捩模拟的比较 183
11.6.2 湍流模型的参数校正 184
参考文献 185
第12章 风力机的大涡模拟和脱体涡模拟方法 186
12.1 风力机致动线方法 186
12.1.1 致动线模型 187
12.1.2 叶片体积力分布模型 189
12.1.3 机舱和塔架模型 191
12.2 大涡模拟方法 192
12.2.1 滤波方法 193
12.2.2 亚格子模型 194
12.2.3 大涡模拟的湍流入流条件 199
12.3 脱体涡模拟方法 202
12.3.1 基于Spalart-Allmaras的DES模型 203
12.3.2 基于SST k-w的DES模型 203
12.4 风力机气动特性和尾流数值模拟实例 205
12.4.1 基于DES的风力机非定常载荷模拟 205
12.4.2 基于LES的风力机尾流及尾流干扰模拟 207
参考文献 211
索引 213