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

793薄翼型的升力和力矩179

习题180

第8章风力机系统气动弹性耦合181

81风力机气动弹性现象及耦合原理181

811叶片气动弹性稳定性181

812整机振动和稳定性184

82多体动力学基础184

821基本概念185

822多体动力学原理185

83气动弹性耦合原理188

831运动学连续性条件188

832动力学连续性条件189

833能量守恒条件189

84风力机系统的动力学模型及稳定性分析189

841坐标系190

842自由度数191

843质点相对运动动力学基本方程192

844风力机系统动力学方程192

845气动弹性动力响应分析197

846气动弹性稳定性分析197

习题198

第9章风力机数值分析技术200

91计算流体力学概述200

92建立数学模型201

921建立控制方程201

922确立边界条件及初始条件201

93确定离散化方法202

931划分计算网格202

932方程离散202

94对流场进行求解205

95显示计算结果205

96应用CFD方法的研究内容206

961对翼型气动性能的研究206

962对风轮气动性能的研究206

97常用的CFD 软件207

习题209

第10章风力机模型气动试验210

101风洞210

102相似理论212

1021相似条件212

1022动力相似准则215

1023相似结果217

1024模型机试验中的问题219

103量纲分析方法220

1031基本量纲与导出量纲220

1032量纲的一致性原理221

1033瑞利法221

1034π定理222

104风洞试验项目224

1041风力机风轮性能试验224

1042风力机风轮载荷试验225

1043风力机叶片压力分布试验226

1044风力机叶片流动显示试验227

105模型与洞壁干扰的修正228

1051常规洞壁影响修正228

1052侧壁干扰修正230

习题230

第11章垂直轴风力机空气动力特性231

111升力型垂直轴风力机231

1111结构形式231

1112达里厄型风力机的工作原理234

1113达里厄型风力机的基本理论234

112阻力型垂直轴风力机239

1121结构形式239

1122萨沃尼斯型垂直轴风力机241

1123阻力叶片空气动力分析242

习题243

附录244

附录A大气边界层内的风特性244

A1大气运动244

A11风的形成244

A12大气稳定度247

A13大气边界层248

A2平均风特性249

A21平均风速249

A22风力等级与风向250

A23风况252

A24风功率及风功率密度254

A3脉动风特性257

A31脉动风速257

A32湍流强度258

A33湍流相关性259

A34湍流积分尺度261

A35湍流功率谱密度263

A4极端风特性263

A41极端风263

A42重现期264

A5风能可利用区的划分264

附录B风电场中的风力机尾流265

B1半经验尾流模型265

B11无黏近场尾流模型265

B12丹麦半经验尾流模型266

B13AV尾流模型266

B2尾流区风特性269

B21尾流区平均速度269

B22尾流区脉动速度270

B3尾流对风力机性能的影响270

B31风力机串列布置270

B32风力机斜列布置271

B4尾流对风力机载荷的影响271

B5风力机布局272

参考文献273