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第1章 绪论1

1.1引言1

1.2国内外研究现状2

1.2.1风力机翼型设计理论研究3

1.2.2风力机叶片气动外形设计理论研究3

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

2.2.3马赫数10

2.2.4边界层10

2.2.5任意翼型位流求解法14

2.3翼型空气动力特性16

2.3.1翼面压力系数16

2.3.2升力系数17

2.3.3阻力系数17

2.3.4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

2.6.3最大弯度及其位置的影响23

2.7雷诺数对翼型气动特性的影响23

2.8翼型气动性能预测方法23

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

3.4.1Ⅰ型型线35

3.4.2Ⅱ型型线36

3.4.3Ⅲ型型线36

3.5翼型集成型线通用性37

3.5.1一阶拟合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翼型改进设计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响分析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

8.4 2MW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复合材料风力机新型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