風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)
宋俊編著
機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社
本書全面和系統(tǒng)地介紹了風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)相關(guān)知識。全書共分為11章,包括緒論、氣體運動學(xué)基礎(chǔ)、氣體動力學(xué)基礎(chǔ)、水平軸升力型風(fēng)力機(jī)概論、風(fēng)力機(jī)經(jīng)典動力學(xué)理論、風(fēng)力機(jī)典型動力學(xué)專題、風(fēng)力機(jī)翼型繞流理論、風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)氣動彈性耦合、風(fēng)力機(jī)數(shù)值分析技術(shù)、風(fēng)力機(jī)模型氣動試驗和垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力特性。另外,在附錄中還介紹了大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性以及風(fēng)電場中的風(fēng)力機(jī)尾流。
本書適合作為大專院校教材及對從事風(fēng)力機(jī)設(shè)計、制造和使用的人員進(jìn)行培訓(xùn)的教學(xué)用書,也可以作為風(fēng)力機(jī)愛好者的自學(xué)讀物。
為了滿足教學(xué)的需求而撰寫此書。希望有助于與風(fēng)力機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生更好地了解風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué),并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新和發(fā)展。
全書共分為11章。第1~4章,包括緒論、氣體運動學(xué)基礎(chǔ)、氣體動力學(xué)基礎(chǔ)、水平軸升力型風(fēng)力機(jī)概論,主要介紹了基本概念和理論,是研究風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)的基礎(chǔ);第5~8章,包括風(fēng)力機(jī)經(jīng)典動力學(xué)理論、風(fēng)力機(jī)典型動力學(xué)專題、風(fēng)力機(jī)翼型繞流理論和風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)氣動彈性耦合,是風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)的核心內(nèi)容,考慮到不同層次讀者的需求,各章的內(nèi)容是相對獨立的,讀者和教師可以根據(jù)具體情況有所取舍。第9章、第10章,包括風(fēng)力機(jī)數(shù)值分析技術(shù)和風(fēng)力機(jī)模型氣動試驗,是風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)學(xué)術(shù)研究的相關(guān)知識,可以作為研究人員、研究生選題、分析和試驗的參考。以上內(nèi)容主要針對水平軸升力型風(fēng)力機(jī)。第11章介紹了垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力特性,并與水平軸機(jī)型進(jìn)行比較。另外,在附錄中還介紹了大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性以及風(fēng)電場中的風(fēng)力機(jī)尾流,這些內(nèi)容是作為風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)的背景知識介紹的,同時為正文提供了一些必要的概念和數(shù)據(jù)。為了便于教學(xué)和自學(xué),書中編入了一些例題,每章后附加若干習(xí)題,計算題后附有最終答案。例題和習(xí)題都不追求復(fù)雜的運算,主要目的是為了鞏固基本概念和理論。
本書在內(nèi)容安排上力求理論與實際相結(jié)合。在介紹氣體動力學(xué)時做到有的放矢,的就是風(fēng)力機(jī)。凡是與風(fēng)力機(jī)聯(lián)系不大的內(nèi)容則不涉及。在利用氣體動力學(xué)研究風(fēng)力機(jī)時,則力爭做到重點突出,重點就是風(fēng)力機(jī)空氣動力特性。對于風(fēng)力機(jī)的其他問題,也不在選項之內(nèi),以便有利于讀者集中了解必須掌握的核心內(nèi)容。
空氣動力學(xué)應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識較多,有些物理和數(shù)學(xué)概念較抽象,描述現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜,初學(xué)者或許會遇到一些困難。但學(xué)習(xí)風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)的目的不是去面對復(fù)雜的推導(dǎo)和對推導(dǎo)結(jié)果的死記硬背,而是要理解概念和理論的物理意義,掌握概念和理論的實際應(yīng)用。風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)自始至終都在強(qiáng)調(diào)如何抓住物理現(xiàn)象的本質(zhì)和主要影響因素,如何針對具體背景將復(fù)雜的物理現(xiàn)象簡化成可求解的數(shù)學(xué)模型,將分析結(jié)果表述為可理解、可應(yīng)用的規(guī)律,這些思維方法和解決方案對于讀者都是大有益處的。
最后,對參考文獻(xiàn)中列舉資料的作者深表感謝,這些資料都使本書的作者受益匪淺。另外,也期待廣大讀者的批評和建議。
作者于2019年1月
前言
主要物理量符號表
第1章緒論1
11風(fēng)能的利用1
12風(fēng)力機(jī)概要2
121基本參數(shù)2
122組成2
123分類3
13氣體的物理性質(zhì)3
131氣體易流動性及可壓縮性4
132氣體的連續(xù)介質(zhì)模型4
133氣體的密度和重度4
134氣體的壓縮系數(shù)及熱膨脹系數(shù)6
135氣體的黏性7
136作用在氣體上的力8
137大氣壓強(qiáng)及壓強(qiáng)的表示方法9
14風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)概述10
141基本特點10
142研究內(nèi)容11
143研究方法11
習(xí)題12
第2章氣體運動學(xué)基礎(chǔ)13
21基本概念13
211流場及其描述1
212研究氣體運動的方法16
213跡線和流線19
214流管、流量和平均流速20
215動能與功率22
22連續(xù)性方程22
23氣體微團(tuán)運動的分析25
24理想氣體的有旋流動30
241基本概念30
242斯托克斯定理32
243湯姆遜定理和亥姆霍茲旋渦定理33
244旋渦的誘導(dǎo)速度34
25有勢流動和速度勢函數(shù)36
251速度有勢36
252定密度無旋流動的基本方程38
253曲線的速度環(huán)量與速度勢38
254等勢面39
26平面流動和流函數(shù)39
261流函數(shù)定義39
262流函數(shù)的基本性質(zhì)40
263流函數(shù)方程的物面邊界條件42
264流函數(shù)與速度勢42
27湍流模型43
271雷諾平均44
272連續(xù)性方程46
習(xí)題46
第3章氣體動力學(xué)基礎(chǔ)48
31基本概念48
311氣體動力學(xué)的基本方程48
312理想氣體中的應(yīng)力48
313氣體質(zhì)點的加速度49
32定密度黏性氣體的運動方程50
33理想氣體運動微分方程53
331歐拉方程53
332蘭姆葛羅米柯方程53
333佛里德曼方程54
34歐拉積分和伯努利積分55
341歐拉積分55
342伯努利積分56
343伯努利方程57
35壓縮性氣體的伯努利方程58
36起始條件和邊界條件59
361起始條件60
362邊界條件60
37動量方程和動量矩方程60
371動量方程60
372動量矩方程61
38邊界層理論62
381邊界層及其特征62
382邊界層微分方程63
383邊界層的分離64
384再附現(xiàn)象65
39繞圓柱體流動卡門渦街66
310湍流運動微分方程67
3101湍流黏性系數(shù)模型67
3102標(biāo)準(zhǔn)kε模型68
習(xí)題69
第4章水平軸升力型風(fēng)力機(jī)概論71
41水平軸升力型風(fēng)力機(jī)綜覽71
42風(fēng)輪75
421幾何定義75
422物理參數(shù)76
43葉片與翼型77
431葉片的外部特征77
432翼型78
44葉素81
441作用在葉素上的空氣動力82
442葉素上的阻力源84
443葉素氣動特性影響因素85
45風(fēng)力機(jī)的運行及控制86
451風(fēng)輪所受的空氣動力載荷86
452葉片數(shù)87
453風(fēng)力機(jī)的調(diào)節(jié)特性88
454風(fēng)力機(jī)的控制目標(biāo)和方式88
習(xí)題90
第5章風(fēng)力機(jī)經(jīng)典動力學(xué)理論91
51一維動量理論與貝茨極限91
52簡化旋轉(zhuǎn)尾流模型94
521誘導(dǎo)速度最佳關(guān)系式95
522最佳氣流傾角97
53葉素動量理論氣流誘導(dǎo)因子算法101
54葉素動量理論氣流干擾因子算法103
55風(fēng)輪整體參數(shù)108
56風(fēng)力機(jī)經(jīng)典動力學(xué)理論比較108
57風(fēng)力機(jī)的實際風(fēng)能利用系數(shù)109
571空氣阻力的影響110
572有限葉片數(shù)的影響111
58風(fēng)力機(jī)動力學(xué)參數(shù)的修正112
581應(yīng)用葉尖和輪轂損失系數(shù)的修正112
582應(yīng)用風(fēng)輪所受推力的修正114
583存在風(fēng)輪錐角的修正116
59實際風(fēng)力機(jī)的功率特性116
習(xí)題117
第6章風(fēng)力機(jī)典型動力學(xué)專題118
61尾跡渦流理論118
611渦流模型118
612固定尾跡渦模型120
613預(yù)定尾跡渦模型123
614自由尾跡渦模型126
62葉片的三維效應(yīng)及動態(tài)繞流129
621失速延遲129
622動態(tài)失速131
623動態(tài)入流效應(yīng)133
63風(fēng)力機(jī)偏航的空氣動力模型133
631固定偏航時的動量定理134
632動態(tài)尾流算法136
633偏航/傾斜模型137
習(xí)題138
第7章風(fēng)力機(jī)翼型繞流理論139
71定密度理想氣體平面無旋流動的概述139
72復(fù)勢與復(fù)速度139
721復(fù)勢與復(fù)速度定義139
722解的可疊加性140
73典型的簡單平面勢流及其復(fù)勢140
731均勻流140
732源與匯141
733點渦143
734偶極流144
74圓柱繞流147
741無環(huán)量圓柱繞流147
742有環(huán)量圓柱繞流149
75定常繞流中的物體受力152
751勃拉休斯合力及合力矩公式153
752庫塔儒可夫斯基升力定理155
76物體繞流的保角變換方法157
761無分離流動保角變換方法的基本思想157
762物理平面與輔助平面上對應(yīng)的流動關(guān)系157
763解析變換的唯一性定理159
764任意柱形物體繞流變換為圓柱繞流的一般形式160
77儒可夫斯基繞流變換162
771儒可夫斯基變換162
772儒可夫斯基翼型繞流167
78庫塔儒可夫斯基假定171
781庫塔條件171
782翼型繞流環(huán)量形成的物理過程172
783推廣的庫塔儒可夫斯基假定173
79薄翼理論與氣動特性173
791薄翼型繞流的擾動速度勢及其分解174
792攻角彎度問題及其求解176