風(fēng)力機(jī)翼型及葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作者簡介

陳進(jìn)，男，1956年5月生，工學(xué)博士，教授，重慶大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)博士生導(dǎo)師，建設(shè)部有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，中國能源學(xué)會理事，中國工程機(jī)械學(xué)會理事。1 990年在斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)(universityofLiubljana)獲博士學(xué)位。1 996年、2005年和2010年分別在德國亞琛工業(yè)大學(xué)、美國邁阿密大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)做高級訪問學(xué)者。

長期從事機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和可再生能源裝備設(shè)計(jì)理論。

先后承擔(dān)國家“九五”攻關(guān)項(xiàng)目2項(xiàng)、863計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)。獲國家發(fā)明專利9項(xiàng)，公開國際發(fā)明專利2項(xiàng)。獲省部級科技進(jìn)步獎3項(xiàng)、教學(xué)成果獎1項(xiàng)。獲國際埃尼獎(Eni Award 2014)提名。在風(fēng)力機(jī)翼型和葉片設(shè)計(jì)方面的研究成果發(fā)表在Wind Energy、Renewable Energy、Joutnal of Fluids andStructures、Materials&Design、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《太陽能學(xué)報(bào)》和《空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)》等國內(nèi)外著名期刊上，并被scI、EI收錄30余篇。

前言

第1章緒論

1.1引言

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)理論研究

1.2.2風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計(jì)理論研究

1.2.3復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究

1.2.4風(fēng)力機(jī)葉片氣動彈性理論研究

第2章風(fēng)力機(jī)翼型空氣動力特性

2.1概述

2.2風(fēng)力機(jī)翼型基本理論

2.2.1翼型幾何參數(shù)

2.2.2雷諾數(shù)

2.2.3馬赫數(shù)

2.2.4邊界層

2.2.5任意翼型位流求解法

2.3翼型空氣動力特性

2.3.1翼面壓力系數(shù)

2.3.2升力系數(shù)

2.3.3阻力系數(shù)

2.3.4俯仰力矩系數(shù)

2.4翼型的失速

2.5翼型表面粗糙度

2.6翼型幾何參數(shù)對翼型氣動特性的影響

2.6.1翼型前緣半徑的影響

2.6.2最大相對厚度及其位置的影響

2.6.3最大彎度及其位置的影響

2.7雷諾數(shù)對翼型氣動特性的影響

2.8翼型氣動性能預(yù)測方法

2.8.1XFOIL及RFOIL介紹

2.8.2翼型氣動性能計(jì)算分析

2.9本章小結(jié)

第3章風(fēng)力機(jī)翼型型線集成理論

3.1引言

3.2翼型變換理論

3.2.1保角變換

3.2.2儒可夫斯基翼型變換

3.2.3西奧道生法

3.3通用翼型的集成表達(dá)理論

3.3.1三角函數(shù)表征翼型形狀函數(shù)

3.3.2泰勒級數(shù)表征翼型形狀函數(shù)

3.4集成典型型線分析

3.4.1Ⅰ型型線

3.4.2Ⅱ型型線

3.4.3Ⅲ型型線

3.5翼型集成型線通用性

3.5.1一階擬合

3.5.2二階擬合

3.5.3三階擬合

3.6形狀函數(shù)控制方程

3.6.1翼型尖后緣特性

3.6.2橫坐標(biāo)偏置特性

3.6.3縱坐標(biāo)偏置特性

3.6.4設(shè)計(jì)空間

3.7翼型參數(shù)化集成收斂性

3.7.1幾何收斂特性

3.7.2氣動收斂特性

3.8本章小結(jié)

第4章風(fēng)力機(jī)翼型型線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

4.1引言

4.2風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)要求

4.2.1結(jié)構(gòu)和幾何兼容性

4.2.2最大升力系數(shù)對前緣粗糙度不敏感性

4.2.3設(shè)計(jì)升力系數(shù)

4.2.4最大升力系數(shù)及深失速特性

4.2.5低噪聲

4.3風(fēng)力機(jī)翼型單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)

4.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

4.3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

4.3.4MATLAB及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

4.3.5優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

4.3.6優(yōu)化翼型的粗糙敏感度

4.3.7優(yōu)化翼型性能的比較分析

4.4風(fēng)力機(jī)翼型多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.4.1設(shè)計(jì)變量

4.4.2目標(biāo)函數(shù)

4.4.3約束條件

4.4.4多目標(biāo)遺傳算法思路

4.4.5WT高性能風(fēng)力機(jī)翼型

4.4.6WTH高升阻比翼型

4.4.7WTI低敏感性翼型

4.5中等厚度風(fēng)力機(jī)專用翼型設(shè)計(jì)

4.5.1中等厚度翼型幾何特性

4.5.2中等厚度翼型氣動特性

4.5.3中等厚度新翼型設(shè)計(jì)

4.5.4雷諾數(shù)、紊流條件及三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響

4.6基于噪聲的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)

4.6.1風(fēng)力機(jī)氣動噪聲理論

4.6.2噪聲的度量

4.6.3翼型噪聲計(jì)算模型

4.6.4噪聲計(jì)算對比分析

4.6.5翼型幾何參數(shù)對翼型噪聲的影響

4.6.6高效噪比風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)

4.7基于二維風(fēng)能利用系數(shù)的翼型設(shè)計(jì)

4.7.1翼型族優(yōu)化模型

4.7.2計(jì)算工況及流程

4.7.3CQU—DTU—B翼型族

4.7.4翼型尾緣對翼型性能的影響

4.8基于曲率光滑連續(xù)性的風(fēng)力機(jī)翼型改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.8.1翼型形函數(shù)表面曲率連續(xù)性

4.8.2翼型型線光滑連續(xù)性

4.8.3翼型改進(jìn)與優(yōu)化

4.8.4優(yōu)化結(jié)果

4.9高性能風(fēng)力機(jī)翼型族的設(shè)計(jì)

4.9.1薄翼型族優(yōu)化結(jié)果及對比分析

4.9.2中等厚度及大厚度翼型設(shè)計(jì)新方法

4.9.3較厚翼型優(yōu)化模型的建立

4.9.4優(yōu)化結(jié)果及性能對比分析

4.10本章小結(jié)

第5章新型風(fēng)力機(jī)翼型模型試制及風(fēng)洞試驗(yàn)分析

5.1引言

5.2翼型模型設(shè)計(jì)與制作

5.3試驗(yàn)裝置、方法及數(shù)據(jù)處理

5.3.1風(fēng)洞

5.3.2模型安裝

5.3.3測試儀器

5.3.4試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

5.4試驗(yàn)結(jié)果

5.4.1自由轉(zhuǎn)捩工況

5.4.2固定轉(zhuǎn)捩工況

5.4.3試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對比分析

5.4.4不同翼型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比

5.5本章小結(jié)

第6章風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)以及風(fēng)輪葉尖修正理論

6.1引言

6.2風(fēng)力機(jī)葉片空氣動力學(xué)

6.2.1動量理論

6.2.2葉素理論

6.2.3葉素動量理論

6.3風(fēng)輪葉尖損失修正模型

6.3.1 Glauert修正模型

6.3.2 Wilson和Lissaman修正模型

6.3.3deVries修正模型

6.3.4Shen修正模型

6.4基于Shen葉尖損失修正模型的風(fēng)輪空氣動力學(xué)模型

6.5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.6本章小結(jié)

……

第7章風(fēng)力機(jī)葉片三維曲面形狀集成表達(dá)

第8章風(fēng)力機(jī)葉片的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

第9章復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)新型葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

第10章風(fēng)力機(jī)葉片氣動彈性耦合分析

第11章風(fēng)力機(jī)葉片二元翼段氣動彈性穩(wěn)定性分析

參考文獻(xiàn)

本書是作者及其研究團(tuán)隊(duì)在多個國家和省部級以及橫向項(xiàng)目基礎(chǔ)上的研究成果的總結(jié)，主要內(nèi)容以風(fēng)力機(jī)翼型及葉片空氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，開創(chuàng)性地引入保角變換理論，結(jié)合泛函分析方法，提出了一系列風(fēng)力機(jī)翼型參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出了相對厚度在12%~40%的翼型系列；對風(fēng)力機(jī)新型翼型進(jìn)行了模型試制及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對比分析，驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)的翼型具有較好的氣動性能等。

《風(fēng)力機(jī)翼型及葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)理論/綠色能源科學(xué)與技術(shù)叢書·卷三》介紹了風(fēng)力機(jī)專用翼型、葉片氣動外形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法，主要包括五部分內(nèi)容：風(fēng)力機(jī)專用翼型族的設(shè)計(jì)理論與方法，新翼型族的風(fēng)洞試驗(yàn)，葉片氣動外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化，復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)新型葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及葉片二元翼段氣動彈性穩(wěn)定性分析。除了闡述風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)相關(guān)基本概念和基本理論外，書中重點(diǎn)介紹了目前風(fēng)力機(jī)專用翼型設(shè)計(jì)中先進(jìn)的理念與方法、葉片氣動性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及氣動載荷條件下的復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并給出了結(jié)果評價。

《風(fēng)力機(jī)翼型及葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)理論/綠色能源科學(xué)與技術(shù)叢書·卷三》可作為高等院校風(fēng)電相關(guān)專業(yè)的研究生以及風(fēng)電相關(guān)行業(yè)科研院所的工作人員的參考書，也可供機(jī)械工業(yè)部門和其他工業(yè)部門氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

Preface

1 Introduction

2 Aerodynamic characteristics of wind turbine airfoils

3 Integrated expressions of wind turbine airfoils

4 Theory of parametric optimization for wind turbine airfoils

5 Experiments on the wind turbine airfoil and data analysis

6 Aerodynamics of wind turbine rotors and tip-loss corrections

7 Integrated representations for wind turbine blade shapes twist variations

8 Shape optimization of wind turbine blades

9 Structural optimization of composite wind turbine blades

10 Analysis of the aeroelastic coupling of wind turbine blades

11 Aeroelastic stability analysis of two-dimensional airfoil sections for wind turbine blades

References 2100433B

第1章 緒論

1.1 風(fēng)力機(jī)的發(fā)展史

1.1.1 人類早期對風(fēng)能的利用

1.1.2 風(fēng)力發(fā)電

1.2 風(fēng)與風(fēng)能

1.2.1 大氣科學(xué)的基礎(chǔ)知識

1.2.2 風(fēng)的形成

1.2.3 風(fēng)的特性

1.2.4 風(fēng)能

1.2.5 風(fēng)能區(qū)劃分

復(fù)習(xí)思考題

第2章 風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.3 翼型簡介

復(fù)習(xí)思考題

第3章 風(fēng)力機(jī)的基本設(shè)計(jì)理論

3.1 貝茲理論

3.2 經(jīng)典設(shè)計(jì)理論

3.2.1 渦流理論

3.2.2 葉素理論

3.2.3 動量理論

3.2.4 動量葉素理論

3.2.5 葉片梢邪損失和根部損失修正

3.2.6 塔影效果

3.2.7 偏斜流修上

3.2.8 風(fēng)剪切

3.3 風(fēng)力機(jī)葉片的字動力特性

3.3.1 翼型的幾何定義

3.3.2 作用于運(yùn)動葉片上的空氣動力

3.3.3 升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化

復(fù)習(xí)思考題

第4章 風(fēng)力機(jī)的載荷分析

4.1 概述

4.2 葉片的結(jié)構(gòu)

4.2.1 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

4.2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

4.3 風(fēng)輪的氣動載荷分析與計(jì)算

4.3.1 翼型的來流速度

4.3.2 空氣動力載荷

4.3.3 離心力載荷

4.3.4 重力載荷

4.4 作用在整個風(fēng)力機(jī)上的力

4.4.1 軸向推力

4.4.2 俯仰力矩

4.5 載荷情況

復(fù)習(xí)思考題

第5章 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)

5.1 風(fēng)力機(jī)沒計(jì)方案

5.1.1 風(fēng)場

5.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等級

5.1.3 機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

5.1.4 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本配置

5.1.5 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本配置

5.2 風(fēng)力機(jī)葉片的基本設(shè)計(jì)方法

5.2.1 葉片設(shè)計(jì)參數(shù)

5.2.2 葉片的基本設(shè)計(jì)方法

5.2.3 葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5.2.4 葉片材料

5.2.5 葉片的加工工藝

5.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)舉例

5.3.1 綜合優(yōu)化目標(biāo)

5.3.2 約束條件

‘5.3.3 算法的實(shí)現(xiàn)

5.3.4 葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

5.3.5 外形坐標(biāo)設(shè)計(jì)

5.4 風(fēng)力機(jī)其他組件的設(shè)計(jì)方法

5.4.1 發(fā)電機(jī)

5.4.2 輪轂

5.4.3 逆變器

5.4.4 蓄電池

5.4.5 塔架

5.4.6 傳動裝置

5.4.7 機(jī)艙

5.4.8 剎車和鎖定裝置

5.4.9 液壓系統(tǒng)

5.4.10 偏航機(jī)械系統(tǒng)

5.4.11 控制系統(tǒng)

復(fù)習(xí)思考題

第6章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率特性

6.1 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

6.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性的測定

6.2.1 試驗(yàn)場地

6.2.2 測試儀器

6.2.3 比恩法

6.2.4 數(shù)據(jù)采集

6.2.5 數(shù)據(jù)篩選

6.2.6 數(shù)據(jù)回歸

6.2.7 功率測定

6.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動性能參數(shù)

6.4 年發(fā)電量計(jì)算

6.5 輸出功率的控制

6.5.1 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制

6.5.2 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制

6.5.3 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制

復(fù)習(xí)思考題

第7章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)選擇與匹配

7.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)與選擇

7.1.1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)

7.1.2 中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)

7.1.3 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)

7.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選型與性能匹配

7.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的原則

7.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的影響因素

復(fù)習(xí)思考題

第8章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的常見故障與檢修

8.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的常見故障

8.1.1 齒輪箱的常見故障及預(yù)防措施

8.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的常見故障

8.1.3 偏航系統(tǒng)的常見故障

8.1.4 控制與安全系統(tǒng)的常見故障

8.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的檢測與維護(hù)

8.2.1 風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行檢修員的資質(zhì)

8.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組維護(hù)檢修管理的基礎(chǔ)工作

8.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組維護(hù)檢修安全措施

8.2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組維護(hù)檢修項(xiàng)目

8.2.5 維護(hù)檢修計(jì)劃

8.2.6 機(jī)組常規(guī)巡檢和故障處理

8.2.7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年度例行維護(hù)

復(fù)習(xí)思考題

參考文獻(xiàn)2100433B