本书介绍了风力机专用翼型、叶片气动外形及其内部结构的设计理论与方法，主要包括五部分内容：风力机专用翼型族的设计理论与方法，新翼型族的风洞试验，叶片气动外形设计与优化，复合材料风力机新型叶片结构优化设计以及叶片二元翼段气动弹性稳定性分析。除了阐述风力机叶片设计相关基本概念和基本理论外，书中重点介绍了目前风力机专用翼型设计中先进的理念与方法、叶片气动性能优化设计方法以及气动载荷条件下的复合材料风力机叶片结构优化设计方法，并给出了结果评价。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外酿现状 2
1.2.1 风力机翼型设计理论研究 4
1.2.2 风力机叶片气动外形设计理论研究 4
1.2.3 复合材料风力机叶片结构设计理论研究 4
1.2.4 风力机叶片气动弹性理论研究 5
第2章 风力机翼型空气动力特性 8
2.1 概述 8
2.2 风力机翼型基本理论 8
2.2.1 翼型几何参数 8
2.2.2 雷诺数 9
2.2.4 马赫数 10
2.2.4 边界层 10
2.2.5 任意翼型位流求解法 14
2.4 翼型空气动力特性 16
2.4.1 翼面压力系数 16
2.4.2 升力系数 17
2.4.4 阻力系数 17
2.4.4 俯仰力矩系数 19
2.4 翼型的失速 20
2.5 翼型表面粗糙度 22
2.6 翼型几何参数对翼型气动特性的影响 22
2.6.1 翼型前缘半径的影响 22
2.6.2 最大相对厚度及其位置的影响 22
2.6.4 最大弯度及其位置的影响 24
2.7 雷诺数对翼型气动特性的影响 24
2.8 翼型气动性能预测方法 24
2.8.1 XFOIL及RFOIL介绍 24
2.8.2 翼型气动性能计算分析 24
2.9 本章小结 27
第3章 风力机翼型型线集成理论 28
3.1 引言 28
3.2 翼型变换理论 28
3.2.1 保角变换 28
3.2.2 儒可夫斯基翼型变换 29
3.2.3 西奥道生法 31
3.3 通用翼型的集成表达理论 32
3.3.1 三角函数表征翼型形状函数 33
3.3.2 泰勒级数表征翼型形状函数 33
3.4 集成典型型线分析 35
3.4.1 I型型线 35
3.4.2 Ⅱ型型线 36
3.4.3 Ⅲ型线 36
3.5 翼型集成型线通用性 37
3.5.1—阶拟合 38
3.5.2 二阶拟合 39
3.5.3 三阶拟合 40
3.6 形状函数控制方程 41
3.6.1 翼型尖后缘特性 41
3.6.2 横坐标偏置特性 41
3.6.3 纵坐标偏置特性 42
3.6.4 设计空间 42
3.7 翼型参数化集成收敛性 43
3.7.1 几何收敛特性 44
3.7.2 气动收敛特性 50
3.8 本章小结 53
第4章 风力机翼型型线参数优化设计理论 54
4.1 引言 54
4.2 风力机翼型设计要求 54
4.2.1 结构和几何兼容性 55
4.2.2 最大升力系数对前缘粗糙度不敏感性 55
4.2.3 设计升力系数 56
4.2.4 最大升力系数及深失速特性 56
4.2.5 低噪声 56
4.3 风力机翼型单目标优化设计 57
4.3.1 优化设计目标函数 57
4.3.2 优化设计变量 57
4.3.3 优化设计约束条件 57
4.3.4 MATLAB及其优化设计方法 58
4.3.5 优化设计结果 58
4.3.6 优化翼型的粗糙敏感度 60
4.3.7 优化翼型性能的比较分析 65
4.4 风力机翼型多目标优化设计 67
4.4.1 设计变量 67
4.4.2 目标函数 69
4.4.3 约束条件 71
4.4.4 多目标遗传算法思路 72
4.4.5 WT高性能风力机翼型 73
4.4.6 WTH高升阻比翼型 87
4.4.7 WTI低敏感性翼型 89
4.5 中等厚度风力机专用翼型设计 91
4.5.1 中等厚度翼型几何特性 91
4.5.2 中等厚度翼型气动特性 92
4.5.3 中等厚度新翼型设计 95
4.5.4 雷诺数、紊流条件及三维旋转效应影响 98
4.6 基于噪声的风力机翼型设计 102
4.6.1 风力机气动噪声理论 102
4.6.2 噪声的度量 103
4.6.3 翼型噪声计算模型 105
4.6.4 噪声计算对比分析 114
4.6.5 翼型几何参数对翼型噪声的影响 116
4.6.6 高效噪比风力机翼型设计 118
4.7 基于二维风能利用系数的翼型设计 122
4.7.1 翼型族优化模型 124
4.7.2 计算工况及流程 127
4.7.3 CQU-DTU-B翼型族 128
4.7.4 翼型尾缘对翼型性能的影响 137
4.8 基于曲率光滑连续性的风力机麵改进设计 139
4.8.1 翼型形函数表面曲率连续性 140
4.8.2 翼型型线光滑连续性 143
4.8.3 翼型改进与优化 146
4.8.4 优化结果 147
4.9 高性能风力机翼型族的设计 149
4.9.1 薄翼型族优化结果及对比分析 150
4.9.2 中等厚度及大厚度翼型设计新方法 161
4.9.3 较厚翼型优化模型的建立 162
4.9.4 优化结果及性能对比分析 163
4.10 本章小结 171
第5章 新型风力机翼型模型试制及风洞试验分析 173
5.1 引言 173
5.2 翼型模型设计与制作 173
5.3 试验装置、方法及数据处理 177
5.3.1 风洞 177
5.3.2 模型安装 177
5.3.3 测试仪器 178
5.3.4 试验内容及数据处理 182
5.4 试验结果 183
5.4.1 自由转捩工况 184
5.4.2 固定转捩工况 186
5.4.3 试验结果与理论计算对比分析 189
5.4.4 不同翼型风洞试验结果对比 195
5.5 本章小结 196
第6章 风力机空气动力学以及风轮叶尖修正理论 198
6.1 引言 198
6.2 风力机叶片空气动力学 198
6.2.1 动量理论 198
6.2.2 叶素理论 200
6.2.3 叶素动量理论 201
6.3 风轮叶尖损失修正模型 201
6.3.1 Glauert修正模型 202
6.3.2 Wilson和Lissaman修正模型 202
6.3.3 de Vries修正模型 202
6.3.4 Shen修正模型 202
6.4 基于Shen叶尖损失修正模型的风轮空气动力学模型 203
6.5 实验验证 204
6.6 本章小结 208
第7章 风力机叶片三维曲面形状集成表达 209
7.1 引言 209
7.2 三维叶片通用集成方法研究 209
7.2.1 三维平直叶片集成 210
7.2.2 三维变弦长叶片集成 211
7.2.3 三维变弦长/变扭角叶片集成 212
7.3 ART-2B叶片集成 214
7.4 本章小结 217
第8章 风力机叶片的形状优化设计 219
8.1 引言 219
8.2 风轮关键参数对风力机性能影向分析 220
8.2.1 三种不同功率的风力机叶片 220
8.2.2 两种同一功率的风力机叶片 224
8.3 基于风力机总成本的优化模型 226
8.3.1 优化设计目标函数 226
8.3.2 优化设计变量及其约束 227
8.3.3 优化设计程序和方法 228
8.3.4 优化结果 228
8.3.5 优化前后风轮性能比较 232
8.42 MW新型风力机叶片优化设计 238
8.4.1 新型风力机叶片设计 238
8.4.2 叶片多目标模型的建立 239
8.4.3 优化结果 242
8.5 本章小结 246
第9章 复合材料风力机新型叶片结构优化设计 248
9.1 引言 248
9.2 复合材料力学基础 248
9.2.1 纤维增强复合材料的分类 248
9.2.2 复合材料的特性 249
9.2.3 复合材料的基本构造形式及分析方法 250
9.2.4 复合材料各向异性力学理论 252
9.2.5 单向板的强度准则 254
9.2.6 层合板的强度分析 258
9.2.7 复合材料结构设计原则 258
9.3 复合材料新型风力机叶片结构设计 260
9.3.1 新型叶片几何造型 260
9.3.2 叶片内部结构设计 264
9.4 基于参数化的复合材料风力机叶片有限元建模方法研究 272
9.4.1 三维叶片形状集成表达 272
9.4.2 风力机叶片参数集成 273
9.4.3 风力机叶片有限元参数建模 274
9.5 一种复合材料风力机叶片流固耦合新方法 281
9.5.1 风力机运行工况 281
9.5.2 局部攻角及压力分布 281
9.5.3 气动力插值 283
9.6 复合材料风力机新叶片结构优化设计研究 289
9.6.1 优化数学模型的建立 289
9.6.2 粒子群算法与有限元方法结合的优化方法 291
9.6.3 优化结果 291
9.7 本章小结 297
第10章 风力机叶片气动弹性耦合分析 299
10.1 引言 299
10.2 风力机叶片结构动力学模型 299
10.3 坐标转换 301
10.4 风载荷模型 302
10.4.1 正常风 302
10.4.2 极端风 303
10.5 结果验证 303
10.6 算例分析 304
10.7 本章小结 306
第11章 风力机叶片二元翼段气动弹性稳定性分析 308
11.1 引言 308
11.2 叶片二元翼段静气动弹性稳定性分析 309
11-2.1 风力机翼型静气动弹性模型 309
11.2.2 典型翼型气动弹性反馈系统分析 311
11.3 经典的颤振问题 316
11.3.1 结构动力模型 316
11.3.2 空气动力模型 317
11.3.3 气动力结构耦合计算模型 319
11.3.4 风力机叶片二元翼段气动弹性分析 321
11.4 风力机叶片动力失速气动弹性问题 330
11.4.1 结构运动方程模型 330
11.4.2 气动力模型 331
11.4.3 气动弹性耦合系统 332
11.4.4 数值计算结果 335
11.5 本章小结 341
参考文献 343
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