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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

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