1、風(fēng)力機空氣動力學(xué)課程編號:課程名稱：風(fēng)力機空氣動力學(xué)英文名稱：Aerodynamics of Wind Turbine總 學(xué) 時：48 (含實驗學(xué)時 4)總 學(xué) 分：3適用對象: 風(fēng)能與動力工程專業(yè)的本科生先修課程：高等數(shù)學(xué)及有關(guān)的工程數(shù)學(xué)，理論力學(xué)，工程流體力學(xué)一、教學(xué)目的：本課程是風(fēng)能與動力工程專業(yè)本科生的重要基礎(chǔ)理論和技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握有關(guān)空氣動力學(xué)的基本概念、空氣運動的基本規(guī)律，風(fēng)作用在風(fēng)力機上空氣動力的基本理論，學(xué)會必要的分析計算空氣動力的方法，掌握一定的實驗技能和進行葉片氣動設(shè)計和風(fēng)場氣動性能評估的初步方法，培養(yǎng)學(xué)生獨立地分析和求解從風(fēng)工程中簡化出來的具體空氣動力

2、學(xué)力學(xué)問題的能力，為學(xué)習(xí)后繼課程以及從事本專業(yè)工程技術(shù)工作提供必要的理論基礎(chǔ)。二、教學(xué)要求：深刻理解、熟練掌握并能綜合應(yīng)用空氣動力學(xué)的基本知識、基本方程和方法分析解決一些風(fēng)能空氣動力學(xué)問題，進行一般推理和進行較復(fù)雜的計算。理解、掌握基本理論和基本概念，掌握空氣動力學(xué)問題的處理和分析方法，并能正確而有效地運用所學(xué)知識去分析和計算從工程實際問題中簡化出來一般問題。通過實驗掌握壓強、流速、氣動力測量的基本方法和技能，培養(yǎng)學(xué)生通過感性認識加強對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能及處理數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和書寫報告的能力。三、教學(xué)內(nèi)容：第零章 緒論（2 學(xué)時）0.1 風(fēng)能利用發(fā)展簡史0.2 中國風(fēng)能資源與開發(fā)

3、0.3 空氣動力學(xué)的發(fā)展進程簡介0.4 風(fēng)電機組0.5 風(fēng)力機空氣動力學(xué)的主要研究內(nèi)容及研究方法0.6 關(guān)于本課程與參考書第一章 流體靜力學(xué)（3 學(xué)時）1.1 流體屬性1.1.1 連續(xù)介質(zhì)的概念1.1.2 流體的易流性1.1.3 流體的壓縮性與彈性1.1.4 流體的粘性1.2 作用在流體微團上力的分類1.3 靜止流體內(nèi)任意一點的壓強及其各向同性特征1.4 流體靜力平衡微分方程1.5 重力場靜止液體中的壓強分布規(guī)律1.6 液體的相對平衡問題1.7 標準大氣基本要求：理解連續(xù)介質(zhì)假設(shè)、流體的基本物理屬性，掌握流體力學(xué)中作用力的分類和表達、理想流中壓強的定義及其特性，初步掌握靜止流體微團的力學(xué)分析方

4、法。重點：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)概念、流體平衡微分方程的表達及其物理意義。難點：重力場靜止液體中的壓強分布規(guī)律和標準大氣問題第二章 流體運動學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)（10 學(xué)時）2.1 描述流體運動的方法2.2 流體微團運動的分析2.3 理想流體運動微分方程組2.3.1 連續(xù)方程2.3.2 Euler 運動微分方程組2.3.3 Bernoulli 積分及其物理意義2.3.4 Bernoulli 方程的應(yīng)用2.4 流體運動積分方程組2.4.1 Lagrange 型積分方程2.4.2 Reynolds 輸運方程2.4.3 Euler 型積分方程2.4.4 Euler 型積分方程的應(yīng)用2.5 環(huán)量與渦基本要求：了解兩種

5、描述流場的方法的區(qū)別與特點，掌握流體微團的幾種變形和運動及其數(shù)學(xué)表達，掌握流體微團的運動分解與剛體運動的異同；了解系統(tǒng)分析方法與控制體分析方法的區(qū)別與聯(lián)系，理解雷諾輸運方程的表達及意義，掌握伯努利方程的表達、意義、條件和應(yīng)用。重點：歐拉法下加速度的表達和意義；流線、流量、散度、旋度、位函數(shù)、流函數(shù)、環(huán)量與渦的概念、意義及其相互之間的關(guān)系；微分形式的連續(xù)方程、歐拉方程和能量方程的表達和意義；積分形式的質(zhì)量方程、動量方程和能量方程的表達和意義。難點：積分形式的質(zhì)量方程、動量方程和能量方程的表達和意義，并用它們解決實際工程問題。第三章 低速平面位流（5 學(xué)時）3.1 理想不可壓縮流體平面位流的基本方

6、程3.2 幾種簡單的二維位流3.2.1 直勻流3.2.2 點源3.2.3 偶極子3.2.4 點渦3.3 一些簡單的流動迭加舉例3.3.1 直勻流加點源3.3.2 直勻流加偶極子3.3.3 直勻流加偶極子加點渦3.4 二維對稱物體繞流的數(shù)值解基本要求：掌握平面不可壓位流中位函數(shù)與流函數(shù)的性質(zhì)與關(guān)系，掌握平面不可壓位流的基本方程即拉普拉斯方程的特點、疊加原理和邊界條件，了解點源、點匯、點渦流動，理解偶極流，掌握均勻直線流， 掌握儒可夫斯基升力定律。重點：直勻流與偶極子和點渦的疊加。難點：流體繞過圓柱體的無環(huán)和有環(huán)流動。第四章 粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)（5 學(xué)時）4.1 、流體的粘性及其對流動的影響4.2

7、 、粘性流體的應(yīng)力狀態(tài)4.3 、廣義牛頓內(nèi)摩擦定理（本構(gòu)關(guān)系）4.4 、粘性流體運動方程-Navier-Stokes 方程4.5 、粘性流體運動的基本性質(zhì)4.6 、雷諾實驗、層流與湍流4、量綱分析與相似原理基本要求：了解流體的粘性及其對流動的影響、粘性流體的應(yīng)力狀態(tài)、雷諾實驗，掌握雷諾數(shù)的定義與意義、層流與湍流的特征與區(qū)別，了解廣義牛頓內(nèi)摩擦定理（本構(gòu)關(guān)系），熟悉粘性流體運動方程 N-S 方程，掌握量綱分析和相似準則。重點：N-S 方程各項所代表的意義；瑞利法、 定理難點：相似理論及其應(yīng)用第五章 邊界層理論及其近似（6 學(xué)時）5.1 邊界層近似及其特征5.2 平面不可壓縮流體層流邊界層方程5.

8、3 平板層流邊界層的相似解5.4 邊界層動量積分方程5.5 邊界層的分離現(xiàn)象基本要求：掌握邊界層的概念、意義和特征，邊界層近似、邊界層的量級、邊界層的各種厚度定義及其意義； 理解邊界層微分方程及其所表示的基本性質(zhì)，熟悉量級分析方法、慣性力與粘性力的量級關(guān)系、壓強梯度特點；了解邊界層微分方程的數(shù)值解法思路（勃拉休斯解）及其結(jié)果，掌握卡門動量積分關(guān)系式及其邊界層近似解法（保爾豪森法）；初步掌握邊界層的分離現(xiàn)象、本質(zhì)以及邊界層在不同壓力梯度區(qū)的速度分布特征。重點：邊界層的分離現(xiàn)象以及邊界層在不同壓力梯度區(qū)的速度分布特征難點：分離的本質(zhì)、分離的必要條件，層流邊界層與湍流邊界層抵抗分離能力的不同及其原因

9、。第六章 二維翼型（3 學(xué)時）6.1 翼型的幾何參數(shù)和翼型研究的發(fā)展簡介6.2 翼型的空氣動力系數(shù)6.3 低速翼型的低速氣動特性概述6.4 庫塔-儒可夫斯基后緣條件及環(huán)量的確定6.5 實用低速翼型的氣動特性基本要求：掌握實體翼型參數(shù)的定義、名稱、表示符號及方位，掌握升力系數(shù)及阻力系數(shù)定義及公式， 理解翼型升力的形成原因，熟悉翼型剖面形狀對其升力和阻力的影響。了解翼型邊界層的特點， 了解影響機翼邊界層分離點位置及翼型阻力的因素，熟悉翼型的低速繞流圖畫、翼型失速和分離流動，掌握庫塔儒可夫斯基環(huán)量。重點：Naca 翼型，翼型的氣動力特性難點：翼型中使用的邊界層理論，庫塔儒可夫斯基環(huán)量第七章 大氣邊界

10、層內(nèi)風(fēng)特性（1 學(xué)時）7.1 風(fēng)的形成7.2 大氣邊界層7.3 平均風(fēng)速隨高度變化7.4 平均風(fēng)速隨時間變化基本要求：了解風(fēng)的形成，其在大氣邊界層內(nèi)的特性，了解平均風(fēng)特性，熟悉風(fēng)玫瑰圖。第八章 風(fēng)力機空氣動力學(xué)（14 學(xué)時）8.1 基本理論（4）8.1.1 動量理論8.1.2 葉素理論8.1.3 動量葉素理論8.1.4 渦流理論基本要求：熟悉動量理論、葉素理論，掌握葉素動量理論，會計算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子，從而計算作用在風(fēng)輪葉片上的力和力矩，理解風(fēng)力機后的尾渦模型。重點：貝茲極限，葉素動量理論難點：葛勞渥特修正、渦流理論8.2 風(fēng)力機的空氣動力設(shè)計（6）8.2.1 風(fēng)力機幾

11、何參數(shù)8.2.2 風(fēng)力機空氣動力設(shè)計參數(shù)8.2.3 風(fēng)力機翼型8.2.4 風(fēng)力機葉片氣動外形設(shè)計基本要求：熟悉葉片的幾何參數(shù)，掌握葉片的長度、弦長、面積、平均幾何弦長、扭角等定義與表達；熟悉風(fēng)輪的幾何參數(shù)，掌握風(fēng)輪葉片數(shù)、直徑、面積、錐角、仰角、偏航角、實度、高度等表述；了解風(fēng)輪空氣動力設(shè)計時須確定的技術(shù)參數(shù)，如葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、額定風(fēng)速、葉尖速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等；掌握翼型的幾何參數(shù)、空氣動力特性，學(xué)會確定風(fēng)力機的幾何外形的設(shè)計。重點：葉片的幾何參數(shù)，風(fēng)力機翼型難點：翼型空氣動力特性、風(fēng)力機葉片設(shè)計方法與調(diào)整8.3 風(fēng)力機性能 （4）8.3.1 風(fēng)力機基本性能8.3.2 風(fēng)力機葉片三維效應(yīng)8.3.

12、3 葉片動態(tài)失速基本要求：熟悉風(fēng)力機的功率特性、轉(zhuǎn)矩特性和軸向力特性，掌握表征風(fēng)力機性能的各項參數(shù)和計算方法。掌握葉片三維邊界層的影響及葉片動態(tài)失態(tài)，理解失速延遲模型和失速動態(tài)模型對動量葉素理論的修正；了解葉片動態(tài)入流效應(yīng)。重點：風(fēng)輪功率特性及風(fēng)力機功率特性曲線難點：風(fēng)力機葉片三維效應(yīng)、葉片動態(tài)失穩(wěn)四、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時分配（建議）序號教學(xué)環(huán)節(jié)課程內(nèi)容教學(xué)實驗1緒論12流體靜力學(xué)33流體運動學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)104低速平面位流55粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)56邊界層理論及其近似67二維翼型38大氣邊界層內(nèi)風(fēng)特性19空氣風(fēng)力機動力學(xué)14合計48五、推薦教材和教學(xué)參考書參考教材：1、賀德馨等，風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué). 北京：國防工業(yè)出版社，2006.12、錢翼稷.空氣動力學(xué). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社 ,20053、（丹麥）Martin O.L. Hansen 著，肖勁松譯