風力機空氣動力性能計算方法

目錄
前言
**篇 風力機空氣動力學基礎
第1章 空氣的物理性質(zhì) 3
1.1 連續(xù)介質(zhì)假設 3
1.2 壓強、密度和溫度 3
1.2.1 壓強、密度和溫度的定義 3
1.2.2 理想氣體狀態(tài)方程 4
1.3 壓縮性、黏性和傳熱性 5
1.3.1 壓縮性 5
1.3.2 黏性 6
1.3.3 傳熱性 7
1.4 無黏假設和不可壓縮假設 8
1.4.1 無黏假設 8
1.4.2 不可壓縮假設 8
參考文獻 8
第2章 空氣運動的描述 10
2.1 流體微團的運動 10
2.1.1 流體微團運動的分析 10
2.1.2 速度散度及其物理意義 13
2.1.3 旋度與速度位 13
2.2 連續(xù)方程 14
2.3 無黏流動的運動方程 15
2.3.1 歐拉運動方程 15
2.3.2 伯努利方程 18
2.4 黏性流動的運動方程 19
2.5 黏性邊界層 21
2.5.1 邊界層的概念 21
2.5.2 邊界層的厚度 22
2.5.3 邊界層的壓強特性 24
2.5.4 邊界層方程 24
2.5.5 邊界層的分離 25
2.6 湍流的基本概念 26
2.7 大氣邊界層湍流風 29
2.7.1 大氣邊界層的基本特點 29
2.7.2 平均風速特性 30
2.7.3 脈動風速特性 30
參考文獻 32
第3章 翼型的基礎知識 33
3.1 翼型的幾何形狀 33
3.1.1 翼型的幾何參數(shù) 33
3.1.2 常用翼型的編號 34
3.1.3 翼型幾何的參數(shù)化表達 35
3.2 翼型的空氣動力 37
3.2.1 翼型的繞流 37
3.2.2 翼型的空氣動力系數(shù) 38
3.2.3 翼型的空氣動力特性 39
參考文獻 41
第二篇 葉素動量方法
第4章 定常葉素動量方法 45
4.1 動量理論 45
4.2 葉素動量理論 47
4.3 葉片數(shù)的影響 51
4.4 高推力系數(shù)的影響 52
4.5 葉素動量方法的迭代求解 53
4.6 計算實例 55
參考文獻 57
第5章 修正模型 59
5.1 葉尖損失修正模型 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 葉根修正 63
5.2 三維旋轉效應模型 64
5.2.1 **類模型 65
5.2.2 第二類模型 66
5.3 動態(tài)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 動態(tài)失速模型與三維旋轉效應的耦合 78
參考文獻 81
第6章 非定常葉素動量方法 84
6.1 坐標變換 84
6.2 誘導速度的計算 87
6.3 動態(tài)入流模型 88
6.4 動態(tài)尾流模型 90
6.5 偏航/傾斜模型 91
6.6 非定常葉素動量方法的計算步驟 92
參考文獻 94
第三篇 渦尾跡方法
第7章 渦流理論基礎 97
7.1 渦線、渦管及旋渦強度 97
7.2 速度環(huán)量和斯托克斯定理 99
7.3 畢奧-薩伐爾定律 103
7.4 渦模型 104
7.4.1 渦核模型 104
7.4.2 渦核半徑和耗散模型 107
7.5 亥姆霍茲旋渦定理 108
7.6 庫塔-茹科夫斯基升力定理 109
7.6.1 繞圓柱的有環(huán)量流動 109
7.6.2 環(huán)量與升力 111
參考文獻 113
第8章 渦尾跡計算模型 114
8.1 坐標系定義 114
8.2 渦系模型 116
8.2.1 葉片渦系模型 116
8.2.2 尾跡渦系模型 118
8.3 預定渦尾跡模型 120
8.4 自由渦尾跡模型 122
8.4.1 渦線控制方程 122
8.4.2 初始尾跡描述 123
8.5 流場計算 123
8.5.1 尾跡離散 123
8.5.2 附著渦環(huán)量計算 124
8.5.3 風輪氣動性能計算 125
8.5.4 誘導速度的計算 126
參考文獻 129
第9章 風力機氣動性能的求解 132
9.1 定常預定渦尾跡的求解 132
9.1.1 求解流程 132
9.1.2 計算算例 135
9.2 定常自由渦尾跡的求解 135
9.2.1 松弛迭代法 135
9.2.2 求解流程 137
9.2.3 計算算例 138
9.3 非定常預定渦尾跡方法 139
9.3.1 來流風速計算 139
9.3.2 誘導速度 141
9.3.3 與動態(tài)失速模型的耦合 142
9.3.4 計算算例 143
9.4 非定常自由渦尾跡方法 143
9.4.1 時間步進法 143
9.4.2 計算步驟 147
9.4.3 計算算例 147
參考文獻 148
第四篇 計算流體力學方法
第10章 計算流體力學基礎 151
10.1 計算流體力學概述 151
10.2 不可壓黏性流體力學問題的數(shù)學描述 152
10.3 湍流模擬簡介 153
10.3.1 直接數(shù)值模擬方法(DNS) 154
10.3.2 大渦模擬方法(LES) 154
10.3.3 雷諾平均方法(RANS) 155
10.4 數(shù)值離散方法簡介 156
10.4.1 有限差分法 157
10.4.2 有限元法 158
10.4.3 有限體積法 159
10.5 基于有限體積法的數(shù)值求解 160
10.5.1 SIMPLE算法 160
10.5.2 PISO算法 162
10.6 網(wǎng)格生成與后處理簡介 163
10.6.1 網(wǎng)格生成 163
10.6.2 后處理 164
10.7 CFD方法在風力機上的應用 165
參考文獻 166
第11章 風力機氣動性能的數(shù)值模擬 168
11.1 控制方程及其離散 168
11.1.1 控制方程 168
11.1.2 空間離散 169
11.1.3 時間離散 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 湍流模型的選取 174
11.3 轉捩預測方法 175
11.3.1 Michel模型 175
11.3.2 y-Re模型 175
11.4 初始條件和邊界條件 178
11.4.1 入口邊界 179
11.4.2 出口邊界 179
11.4.3 旋轉周期邊界 179
11.4.4 壁面邊界 179
11.5 數(shù)值模擬網(wǎng)格 180
11.5.1 二維翼型的網(wǎng)格描述 180
11.5.2 旋轉風輪的網(wǎng)格描述 181
11.6 數(shù)值模擬實例 183
11.6.1 全湍流模擬與轉捩模擬的比較 183
11.6.2 湍流模型的參數(shù)校正 184
參考文獻 185
第12章 風力機的大渦模擬和脫體渦模擬方法 186
12.1 風力機致動線方法 186
12.1.1 致動線模型 187
12.1.2 葉片體積力分布模型 189
12.1.3 機艙和塔架模型 191
12.2 大渦模擬方法 192
12.2.1 濾波方法 193
12.2.2 亞格子模型 194
12.2.3 大渦模擬的湍流入流條件 199
12.3 脫體渦模擬方法 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 風力機氣動特性和尾流數(shù)值模擬實例 205
12.4.1 基于DES的風力機非定常載荷模擬 205
12.4.2 基于LES的風力機尾流及尾流干擾模擬 207
參考文獻 211
索引 213