«风力机空气动力学»
课程编号:
课程名称：风力机空气动力学
英文名称：Aerodynamics of Wind Turbine 总 学 时：48 (含实验学时4) 总 学 分：3
适用对象: 风能与动力工程专业的本科生
先修课程：高等数学及有关的工程数学，理论力学，工程流体力学
一、教学目的：
本课程是风能与动力工程专业本科生的重要基础理论和技术基础课。通过本课程学习使学生掌握有关空气动力学的基本概念、空气运动的基本规律，风作用在风力机上空气动力的基本理论，学会必要的分析计算空气动力的方法，掌握一定的实验技能和进行叶片气动设计和风场气动性能评估的初步方法，培养学生独立地分析和求解从风工程中简化出来的具体空气动力学力学问题的能力，为学习后继课程以及从事本专业工程技术工作提供必要的理论基础。
二、教学要求：
深刻理解、熟练掌握并能综合应用空气动力学的基本知识、基本方程和方法分析解决一些风能空气动力学问题，进行一般推理和进行较复杂的计算。
理解、掌握基本理论和基本概念，掌握空气动力学问题的处理和分析方法，并能正确而有效地运用所学知识去分析和计算从工程实际问题中简化出来一般问题。
通过实验掌握压强、流速、气动力测量的基本方法和技能，培养学生通过感性认识加强对理论知识的理解，培养学生的实验技能及处理数据、分析结果和书写报告的能力。
三、教学内容：
第零章 绪论（2学时）
0.1 风能利用发展简史 0.2 中国风能资源与开发 0.3 空气动力学的发展进程简介 0.4 风电机组
0.5 风力机空气动力学的主要研究内容及研究方法 0.6 关于本课程与参考书
第一章 流体静力学（3学时）
1.1 流体属性 1.1.1 连续介质的概念 1.1.2 流体的易流性 1.1.3 流体的压缩性与弹性 1.1.4 流体的粘性
1.2 作用在流体微团上力的分类
1.3 静止流体内任意一点的压强及其各向同性特征 1.4 流体静力平衡微分方程
1.5 重力场静止液体中的压强分布规律 1.6 液体的相对平衡问题 1.7 标准大气 基本要求：
理解连续介质假设、流体的基本物理属性，掌握流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性，初步掌握静止流体微团的力学分析方法。
重 点：
连续介质假设概念、流体平衡微分方程的表达及其物理意义。 难 点：
重力场静止液体中的压强分布规律和标准大气问题
第二章 流体运动学与动力学基础（10学时）
2.1 描述流体运动的方法 2.2 流体微团运动的分析 2.3 理想流体运动微分方程组 2.3.1 连续方程
2.3.2 Euler运动微分方程组 2.3.3 Bernoulli积分及其物理意义 2.3.4 Bernoulli方程的应用 2.4 流体运动积分方程组 2.4.1 Lagrange型积分方程 2.4.2 Reynolds输运方程 2.4.3 Euler型积分方程 2.4.4 Euler型积分方程的应用 2.5 环量与涡 基本要求：
了解两种描述流场的方法的区别与特点，掌握流体微团的几种变形和运动及其数学表达，掌握流体微团的运动分解与刚体运动的异同；了解系统分析方法与控制体分析方法的区别与联系，理解雷诺输运方程的表达及意义，掌握伯努利方程的表达、意义、条件和应用。
重 点：
欧拉法下加速度的表达和意义；流线、流量、散度、旋度、位函数、流函数、环量与涡的概念、意义及其相互之间的关系；微分形式的连续方程、欧拉方程和能量方程的表达和意义；积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义。
难 点：
积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义，并用它们解决实际工程问题。
第三章 低速平面位流（5学时）
3.1 理想不可压缩流体平面位流的基本方程 3.2 几种简单的二维位流 3.2.1 直匀流 3.2.2 点源 3.2.3 偶极子
3.2.4 点涡
3.3 一些简单的流动迭加举例 3.3.1 直匀流加点源 3.3.2 直匀流加偶极子 3.3.3 直匀流加偶极子加点涡 3.4 二维对称物体绕流的数值解 基本要求：
掌握平面不可压位流中位函数与流函数的性质与关系，掌握平面不可压位流的基本方程即拉普拉斯方程的特点、叠加原理和边界条件，了解点源、点汇、点涡流动，理解偶极流，掌握均匀直线流，掌握儒可夫斯基升力定律。
重 点：
直匀流与偶极子和点涡的叠加。 难 点：
流体绕过圆柱体的无环和有环流动。
第四章 粘性流体动力学基础（5学时）
4.1、流体的粘性及其对流动的影响 4.2、粘性流体的应力状态
4.3、广义牛顿内摩擦定理（本构关系） 4.4、粘性流体运动方程---Navier-Stokes方程 4.5、粘性流体运动的基本性质 4.6、雷诺实验、层流与湍流 4※、量纲分析与相似原理 基本要求：
了解流体的粘性及其对流动的影响、粘性流体的应力状态、雷诺实验，掌握雷诺数的定义与意义、层流与湍流的特征与区别，了解广义牛顿内摩擦定理（本构关系），熟悉粘性流体运动方程N-S方程，
掌握量纲分析和相似准则。
重 点：
N-S方程各项所代表的意义；瑞利法、π定理 难 点： 相似理论及其应用
第五章 边界层理论及其近似（6学时）
5.1 边界层近似及其特征
5.2 平面不可压缩流体层流边界层方程 5.3 平板层流边界层的相似解 5.4 边界层动量积分方程 5.5 边界层的分离现象 基本要求：
掌握边界层的概念、意义和特征，边界层近似、边界层的量级、边界层的各种厚度定义及其意义； 理解边界层微分方程及其所表示的基本性质，熟悉量级分析方法、惯性力与粘性力的量级关系、压强梯度特点；了解边界层微分方程的数值解法思路（勃拉休斯解）及其结果，掌握卡门动量积分关系式及其边界层近似解法（保尔豪森法）；初步掌握边界层的分离现象、本质以及边界层在不同压力梯度区的速度分布特征。
重 点：
边界层的分离现象以及边界层在不同压力梯度区的速度分布特征 难 点：
分离的本质、分离的必要条件，层流边界层与湍流边界层抵抗分离能力的不同及其原因。
第六章 二维翼型（3学时）
6.1 翼型的几何参数和翼型研究的发展简介 6.2 翼型的空气动力系数 6.3 低速翼型的低速气动特性概述
6.4 库塔-儒可夫斯基后缘条件及环量的确定 6.5 实用低速翼型的气动特性
基本要求：
掌握实体翼型参数的定义、名称、表示符号及方位，掌握升力系数及阻力系数定义及公式，理解翼型升力的形成原因，熟悉翼型剖面形状对其升力和阻力的影响。了解翼型边界层的特点，了解影响机翼边界层分离点位置及翼型阻力的因素，熟悉翼型的低速绕流图画、翼型失速和分离流动，掌握库塔－儒可夫斯基环量。
重 点：
Naca翼型，翼型的气动力特性 难 点：
翼型中使用的边界层理论，库塔－儒可夫斯基环量
第七章 大气边界层内风特性（1学时）
7.1 风的形成 7.2 大气边界层 7.3 平均风速随高度变化 7.4 平均风速随时间变化
基本要求：
了解风的形成，其在大气边界层内的特性，了解平均风特性，熟悉风玫瑰图。
第八章 风力机空气动力学（14学时）
8.1 基本理论 （4） 8.1.1动量理论 8.1.2叶素理论 8.1.3 动量－叶素理论 8.1.4涡流理论
基本要求：
熟悉动量理论、叶素理论，掌握叶素－动量理论，会计算风轮旋转面中的轴向诱导因子和周向诱导因子，从而计算作用在风轮叶片上的力和力矩，理解风力机后的尾涡模型。
重 点：
贝兹极限，叶素－动量理论 难 点：
葛劳渥特修正、涡流理论
8.2 风力机的空气动力设计
8.2.1 风力机几何参数 8.2.2风力机空气动力设计参数 8.2.3风力机翼型
8.2.4风力机叶片气动外形设计 基本要求：
熟悉叶片的几何参数，掌握叶片的长度、弦长、面积、平均几何弦长、扭角等定义与表达；熟悉风轮的几何参数，掌握风轮叶片数、直径、面积、锥角、仰角、偏航角、实度、高度等表述；了解风轮空气动力设计时须确定的技术参数，如叶片数、风轮直径、额定风速、叶尖速比、风轮转速等；掌握翼型的几何参数、空气动力特性，学会确定风力机的几何外形的设计。
重 点：
叶片的几何参数，风力机翼型 难 点：
翼型空气动力特性、风力机叶片设计方法与调整
（6）
8.3 风力机性能 （4）
8.3.1 风力机基本性能 8.3.2 风力机叶片三维效应
8.3.3 叶片动态失速
基本要求：
熟悉风力机的功率特性、转矩特性和轴向力特性，掌握表征风力机性能的各项参数和计算方法。掌握叶片三维边界层的影响及叶片动态失态，理解失速延迟模型和失速动态模型对动量－叶素理论的修正；了解叶片动态入流效应。
重 点：
风轮功率特性及风力机功率特性曲线 难 点：
风力机叶片三维效应、叶片动态失稳
五、推荐教材和教学参考书
参考教材：
1、贺德馨等，风工程与工业空气动力学. 北京：国防工业出版社，2006.1 2、钱翼稷. 空气动力学. 北京: 北京航空航天大学出版社 , 2005
3、（丹麦）Martin O.L. Hansen著，肖劲松译. 风力机空气动力学（第2版）. 北京：中国电力出版社，2009.6
4. 吴双群等，风力机空气动力学. 北京：北京大学出版社，2011
5、王保国，刘淑艳，刘艳明，于勇. 空气动力学基础. 北京：国防工业出版社，2009.1 6、吴子牛主编. 空气动力学（上、下册）. 北京：清华大学出版社，2007.4 7、王铁城主编. 空气动力学实验技术. 北京：国防工业出版社，1986
六、补充说明
«风力机空气动力学»
课程编号:
课程名称：风力机空气动力学
英文名称：Aerodynamics of Wind Turbine 总 学 时：48 (含实验学时4) 总 学 分：3
适用对象: 风能与动力工程专业的本科生
先修课程：高等数学及有关的工程数学，理论力学，工程流体力学
一、教学目的：
本课程是风能与动力工程专业本科生的重要基础理论和技术基础课。通过本课程学习使学生掌握有关空气动力学的基本概念、空气运动的基本规律，风作用在风力机上空气动力的基本理论，学会必要的分析计算空气动力的方法，掌握一定的实验技能和进行叶片气动设计和风场气动性能评估的初步方法，培养学生独立地分析和求解从风工程中简化出来的具体空气动力学力学问题的能力，为学习后继课程以及从事本专业工程技术工作提供必要的理论基础。
二、教学要求：
深刻理解、熟练掌握并能综合应用空气动力学的基本知识、基本方程和方法分析解决一些风能空气动力学问题，进行一般推理和进行较复杂的计算。
理解、掌握基本理论和基本概念，掌握空气动力学问题的处理和分析方法，并能正确而有效地运用所学知识去分析和计算从工程实际问题中简化出来一般问题。
通过实验掌握压强、流速、气动力测量的基本方法和技能，培养学生通过感性认识加强对理论知识的理解，培养学生的实验技能及处理数据、分析结果和书写报告的能力。
三、教学内容：
第零章 绪论（2学时）
0.1 风能利用发展简史 0.2 中国风能资源与开发 0.3 空气动力学的发展进程简介 0.4 风电机组
0.5 风力机空气动力学的主要研究内容及研究方法 0.6 关于本课程与参考书
第一章 流体静力学（3学时）
1.1 流体属性 1.1.1 连续介质的概念 1.1.2 流体的易流性 1.1.3 流体的压缩性与弹性 1.1.4 流体的粘性
1.2 作用在流体微团上力的分类
1.3 静止流体内任意一点的压强及其各向同性特征 1.4 流体静力平衡微分方程
1.5 重力场静止液体中的压强分布规律 1.6 液体的相对平衡问题 1.7 标准大气 基本要求：
理解连续介质假设、流体的基本物理属性，掌握流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性，初步掌握静止流体微团的力学分析方法。
重 点：
连续介质假设概念、流体平衡微分方程的表达及其物理意义。 难 点：
重力场静止液体中的压强分布规律和标准大气问题
第二章 流体运动学与动力学基础（10学时）
2.1 描述流体运动的方法 2.2 流体微团运动的分析 2.3 理想流体运动微分方程组 2.3.1 连续方程
2.3.2 Euler运动微分方程组 2.3.3 Bernoulli积分及其物理意义 2.3.4 Bernoulli方程的应用 2.4 流体运动积分方程组 2.4.1 Lagrange型积分方程 2.4.2 Reynolds输运方程 2.4.3 Euler型积分方程 2.4.4 Euler型积分方程的应用 2.5 环量与涡 基本要求：
了解两种描述流场的方法的区别与特点，掌握流体微团的几种变形和运动及其数学表达，掌握流体微团的运动分解与刚体运动的异同；了解系统分析方法与控制体分析方法的区别与联系，理解雷诺输运方程的表达及意义，掌握伯努利方程的表达、意义、条件和应用。
重 点：
欧拉法下加速度的表达和意义；流线、流量、散度、旋度、位函数、流函数、环量与涡的概念、意义及其相互之间的关系；微分形式的连续方程、欧拉方程和能量方程的表达和意义；积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义。
难 点：
积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义，并用它们解决实际工程问题。
第三章 低速平面位流（5学时）
3.1 理想不可压缩流体平面位流的基本方程 3.2 几种简单的二维位流 3.2.1 直匀流 3.2.2 点源 3.2.3 偶极子
3.2.4 点涡
3.3 一些简单的流动迭加举例 3.3.1 直匀流加点源 3.3.2 直匀流加偶极子 3.3.3 直匀流加偶极子加点涡 3.4 二维对称物体绕流的数值解 基本要求：
掌握平面不可压位流中位函数与流函数的性质与关系，掌握平面不可压位流的基本方程即拉普拉斯方程的特点、叠加原理和边界条件，了解点源、点汇、点涡流动，理解偶极流，掌握均匀直线流，掌握儒可夫斯基升力定律。
重 点：
直匀流与偶极子和点涡的叠加。 难 点：
流体绕过圆柱体的无环和有环流动。
第四章 粘性流体动力学基础（5学时）
4.1、流体的粘性及其对流动的影响 4.2、粘性流体的应力状态
4.3、广义牛顿内摩擦定理（本构关系） 4.4、粘性流体运动方程---Navier-Stokes方程 4.5、粘性流体运动的基本性质 4.6、雷诺实验、层流与湍流 4※、量纲分析与相似原理 基本要求：
了解流体的粘性及其对流动的影响、粘性流体的应力状态、雷诺实验，掌握雷诺数的定义与意义、层流与湍流的特征与区别，了解广义牛顿内摩擦定理（本构关系），熟悉粘性流体运动方程N-S方程，
掌握量纲分析和相似准则。
重 点：
N-S方程各项所代表的意义；瑞利法、π定理 难 点： 相似理论及其应用
第五章 边界层理论及其近似（6学时）
5.1 边界层近似及其特征
5.2 平面不可压缩流体层流边界层方程 5.3 平板层流边界层的相似解 5.4 边界层动量积分方程 5.5 边界层的分离现象 基本要求：
掌握边界层的概念、意义和特征，边界层近似、边界层的量级、边界层的各种厚度定义及其意义； 理解边界层微分方程及其所表示的基本性质，熟悉量级分析方法、惯性力与粘性力的量级关系、压强梯度特点；了解边界层微分方程的数值解法思路（勃拉休斯解）及其结果，掌握卡门动量积分关系式及其边界层近似解法（保尔豪森法）；初步掌握边界层的分离现象、本质以及边界层在不同压力梯度区的速度分布特征。
重 点：
边界层的分离现象以及边界层在不同压力梯度区的速度分布特征 难 点：
分离的本质、分离的必要条件，层流边界层与湍流边界层抵抗分离能力的不同及其原因。
第六章 二维翼型（3学时）
6.1 翼型的几何参数和翼型研究的发展简介 6.2 翼型的空气动力系数 6.3 低速翼型的低速气动特性概述
6.4 库塔-儒可夫斯基后缘条件及环量的确定 6.5 实用低速翼型的气动特性
基本要求：
掌握实体翼型参数的定义、名称、表示符号及方位，掌握升力系数及阻力系数定义及公式，理解翼型升力的形成原因，熟悉翼型剖面形状对其升力和阻力的影响。了解翼型边界层的特点，了解影响机翼边界层分离点位置及翼型阻力的因素，熟悉翼型的低速绕流图画、翼型失速和分离流动，掌握库塔－儒可夫斯基环量。
重 点：
Naca翼型，翼型的气动力特性 难 点：
翼型中使用的边界层理论，库塔－儒可夫斯基环量
第七章 大气边界层内风特性（1学时）
7.1 风的形成 7.2 大气边界层 7.3 平均风速随高度变化 7.4 平均风速随时间变化
基本要求：
了解风的形成，其在大气边界层内的特性，了解平均风特性，熟悉风玫瑰图。
第八章 风力机空气动力学（14学时）
8.1 基本理论 （4） 8.1.1动量理论 8.1.2叶素理论 8.1.3 动量－叶素理论 8.1.4涡流理论
基本要求：
熟悉动量理论、叶素理论，掌握叶素－动量理论，会计算风轮旋转面中的轴向诱导因子和周向诱导因子，从而计算作用在风轮叶片上的力和力矩，理解风力机后的尾涡模型。
重 点：
贝兹极限，叶素－动量理论 难 点：
葛劳渥特修正、涡流理论
8.2 风力机的空气动力设计
8.2.1 风力机几何参数 8.2.2风力机空气动力设计参数 8.2.3风力机翼型
8.2.4风力机叶片气动外形设计 基本要求：
熟悉叶片的几何参数，掌握叶片的长度、弦长、面积、平均几何弦长、扭角等定义与表达；熟悉风轮的几何参数，掌握风轮叶片数、直径、面积、锥角、仰角、偏航角、实度、高度等表述；了解风轮空气动力设计时须确定的技术参数，如叶片数、风轮直径、额定风速、叶尖速比、风轮转速等；掌握翼型的几何参数、空气动力特性，学会确定风力机的几何外形的设计。
重 点：
叶片的几何参数，风力机翼型 难 点：
翼型空气动力特性、风力机叶片设计方法与调整
（6）
8.3 风力机性能 （4）
8.3.1 风力机基本性能 8.3.2 风力机叶片三维效应
8.3.3 叶片动态失速
基本要求：
熟悉风力机的功率特性、转矩特性和轴向力特性，掌握表征风力机性能的各项参数和计算方法。掌握叶片三维边界层的影响及叶片动态失态，理解失速延迟模型和失速动态模型对动量－叶素理论的修正；了解叶片动态入流效应。
重 点：
风轮功率特性及风力机功率特性曲线 难 点：
风力机叶片三维效应、叶片动态失稳
五、推荐教材和教学参考书
参考教材：
1、贺德馨等，风工程与工业空气动力学. 北京：国防工业出版社，2006.1 2、钱翼稷. 空气动力学. 北京: 北京航空航天大学出版社 , 2005
3、（丹麦）Martin O.L. Hansen著，肖劲松译. 风力机空气动力学（第2版）. 北京：中国电力出版社，2009.6
4. 吴双群等，风力机空气动力学. 北京：北京大学出版社，2011
5、王保国，刘淑艳，刘艳明，于勇. 空气动力学基础. 北京：国防工业出版社，2009.1 6、吴子牛主编. 空气动力学（上、下册）. 北京：清华大学出版社，2007.4 7、王铁城主编. 空气动力学实验技术. 北京：国防工业出版社，1986
六、补充说明