风力机气动工程技术

第1章 绪论 1 1.1 风能与风力发电基本原理 1 1.1.1 风能 1 1.1.2 风力发电基本原理 2 1.2 风资源 3 1.3 风力发电机基本结构 8 1.3.1 叶片 9 1.3.2 机舱内部结构及塔架 12 1.4 风力机类型 17 1.5 风力机气动工程概述 19 第2章 风力机空气动力学基础 20 2.1 气体物理特性及相关参数 20 2.2 风力机基本术语 22 2.2.1 翼型几何参数 22 2.2.2 常用风力机翼型 22 2.2.3 翼型气动特性参数 27 2.2.4 风力机几何参数 29 2.2.5 风力机性能参数 30 2.3 流管致动盘理论与贝兹极限 31 2.4 叶素-动量理论 33 2.4.1 动量理论 33 2.4.2 叶素理论 36 2.4.3 叶素-动量理论推导 37 2.4.4 考虑尾涡旋转的叶素-动量理论 39 2.4.5 诱导因子修正 42 2.4.6 叶尖轮毂损失修正 44 2.4.7 气动因子扩展 45 2.4.8 考虑三维旋转效应的失速修正 46 2.4.9 动态失速模型 47 2.4.10 非定常叶素-动量理论 48 2.5 涡流理论与涡尾迹方法 50 2.5.1 涡线 51 2.5.2 涡面 51 2.5.3 非线性致动盘理论 52 2.5.4 预定涡尾迹方法 53 2.5.5 自由涡尾迹方法 58 2.6 本章小结 59 第3章 风力机叶片气动设计 60 3.1 风力机设计基本参数 60 3.2 基于叶素-动量理论的气动设计方法 66 3.2.1 确定叶片几何形状 66 3.2.2 风轮性能计算 66 3.3 Glauert和Wilson气动设计方法 68 3.3.1 Glauert设计方法 68 3.3.2 Wilson设计方法 70 3.3.3 MATLAB求解诱导因子 72 3.4 基于优化算法的叶片设计方法 73 3.4.1 叶片几何参数化方法 73 3.4.2 优化数学模型 74 3.4.3 优化求解流程 75 3.4.4 考虑启动性能的风力机优化设计 75 3.5 本章小结 81 第4章 风力机气动载荷计算 82 4.1 风力机载荷类型、来源及工况 82 4.1.1 载荷类型 82 4.1.2 载荷来源 83 4.1.3 载荷工况 89 4.2 载荷计算要求与方法 92 4.2.1 载荷计算要求 92 4.2.2 载荷计算坐标系 93 4.2.3 载荷计算方法 93 4.3 基于GH Bladed的载荷计算 96 4.3.1 GH Bladed简介 96 4.3.2 GH Bladed风模型 98 4.3.3 GH Bladed基本计算流程 101 4.3.4 载荷计算案例 102 4.4 基于Fast的气动弹性计算方法 106 4.4.1 FAST简介 106 4.4.2 FAST输入的风模型 107 4.4.3 FAST基本计算流程 108 4.4.4 载荷计算案例 108 4.5 本章小结 113 第5章 风力机流场分析 114 5.1 计算流体力学方法 114 5.1.1 预处理 114 5.1.2 求解数值方程 117 5.1.3 后处理 117 5.1.4 湍流模型 117 5.1.5 致动线方法 122 5.1.6 风力机流场分析关键问题 123 5.2 低雷诺数翼型数值模拟 123 5.2.1 湍流模型与网格划分 123 5.2.2 数值计算模型验证 125 5.2.3 雷诺数对翼型升阻特性的影响 126 5.2.4 翼型边界层分离泡的影响 126 5.2.5 翼型转捩位置预测 129 5.3 风力机风轮三维流场与性能分析 130 5.3.1 风力机风轮参数与叶片模型 130 5.3.2 网格与湍流模型 130 5.3.3 不同截面压力分布 131 5.3.4 不同风速下截面流线分布 133 5.3.5 风轮转矩 134 5.4 本章小结 134 第6章 风力机翼型优化设计 135 6.1 翼型几何参数化方法 135 6.1.1 控制点法 135 6.1.2 复合映射法 136 6.1.3 型函数扰动法 137 6.2 优化算法 140 6.2.1 遗传算法 140 6.2.2 多目标遗传算法 140 6.3 翼型优化设计模型与流程 141 6.3.1 优化数学模型 141 6.3.2 优化流程 142 6.4 翼型优化设计案例 143 6.4.1 翼型单目标优化 143 6.4.2 翼型多目标优化 147 6.5 本章小结 151 第7章 风力机翼型随机气动响应分析 152 7.1 气动响应分析方法 152 7.1.1 拉丁超立方抽样 152 7.1.2 代理模型 153 7.1.3 非嵌入式概率配置点法 155 7.1.4 区间分析法 156 7.2 湍流对翼型气动特性的影响及优化 156 7.2.1 基于NIPRC-CFD的研究方法及验证 156 7.2.2 不确定湍流对翼型气动性能的影响 158 7.2.3 不确定湍流下翼型气动稳健优化 160 7.3 随机风速风向对翼型气动特性的影响 163 7.3.1 随机风速对翼型气动特性的影响 163 7.3.2 随机风向对翼型气动特性的影响 165 7.3.3 随机风速、风向耦合对翼型气动特性的影响 167 7.4 随机湍流强度和几何误差对翼型气动特性的影响 169 7.4.1 区间—克里金方法及验证 169 7.4.2 随机湍流强度对翼型气动特性的影响 171 7.4.3 几何外形误差对翼型气动性能的影响 171 7.5 本章小结 173 第8章 风力机叶片不确定气动建模 174 8.1 不确定性参数定义与表征 174 8.1.1 概率模型 174 8.1.2 区间模型 175 8.2 不确定理论与方法 175 8.2.1 蒙特卡罗方法 175 8.2.2 非嵌入式概率配置点法 176 8.2.3 耦合不确定分析方法 176 8.3 风力机叶片不确定气动分析与优化 178 8.3.1 风速不确定对风力机功率与载荷的影响 178 8.3.2 几何不确定对风力机功率与载荷的影响 182 8.3.3 工况与几何不确定耦合对风力机功率与载荷的影响 191 8.4 本章小结 193 第9章 风电功率预测方法 194 9.1 预测误差来源及影响 194 9.1.1 预测误差来源 194 9.1.2 预测误差影响 194 9.2 基于物理模型的风电功率预测方法 195 9.2.1 数值天气预报数据的修正 196 9.2.2 风速-功率曲线的修正 197 9.2.3 基于物理方法的风电功率预测的特点 197 9.3 基于数据驱动的风电功率预测 198 9.3.1 风电功率确定性预测 198 9.3.2 风电功率不确定性预测 202 9.3.3 风电功率预测精度提升方法 203 9.3.4 精度评价指标 209 9.4 风电功率预测实例分析 210 9.4.1 数据简介 210 9.4.2 预测方法 210 9.4.3 预测结果 211 9.5 本章小结 213 参考文献 214