南京工業(yè)大學《風力機空氣動力學》教學大綱

1、«風力機空氣動力學»課程編號: 課程名稱：風力機空氣動力學 英文名稱：Aerodynamics of Wind Turbine總 學 時：48 (含實驗學時4)總 學 分：3適用對象: 風能與動力工程專業(yè)的本科生先修課程：高等數(shù)學及有關(guān)的工程數(shù)學，理論力學，工程流體力學一、教學目的：本課程是風能與動力工程專業(yè)本科生的重要基礎(chǔ)理論和技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程學習使學生掌握有關(guān)空氣動力學的基本概念、空氣運動的基本規(guī)律，風作用在風力機上空氣動力的基本理論，學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)計和風場氣動性能評估的初步方法，培養(yǎng)學生獨立地分析和求解從風工

2、程中簡化出來的具體空氣動力學力學問題的能力，為學習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、教學要求： 深刻理解、熟練掌握并能綜合應用空氣動力學的基本知識、基本方程和方法分析解決一些風能空氣動力學問題，進行一般推理和進行較復雜的計算。理解、掌握基本理論和基本概念，掌握空氣動力學問題的處理和分析方法，并能正確而有效地運用所學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)學生通過感性認識加強對理論知識的理解，培養(yǎng)學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、教學內(nèi)容： 第零章 緒論（2學時）0.1 風能利用發(fā)展簡

3、史0.2 中國風能資源與開發(fā)0.3 空氣動力學的發(fā)展進程簡介0.4 風電機組0.5 風力機空氣動力學的主要研究內(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（3學時）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

4、握靜止流體微團的力學分析方法。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 流體運動學與動力學基礎(chǔ)（10學時）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型積分方程的應用2.5 環(huán)量與渦

5、基本要求：了解兩種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學時）3.1 理想不可壓縮

6、流體平面位流的基本方程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 粘性流體動力學基礎(chǔ)（5學時）4.1、流體的粘性及其

7、對流動的影響4.2、粘性流體的應力狀態(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：相似理論及其應用第五章 邊界層理論及其近似（6學時）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

9、及其原因。第六章 二維翼型（3學時）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

10、邊界層內(nèi)風特性（1學時）7.1 風的形成7.2 大氣邊界層7.3 平均風速隨高度變化7.4 平均風速隨時間變化基本要求：了解風的形成，其在大氣邊界層內(nèi)的特性，了解平均風特性，熟悉風玫瑰圖。第八章 風力機空氣動力學（14學時）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，會計算風輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導因子和周向誘導因子，從而計算作用在風輪葉片上的力和力矩，理解風力機后的尾渦模型。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 風力機的空氣動力設(shè)計（6）8.2.1 風力機

11、幾何參數(shù)8.2.2風力機空氣動力設(shè)計參數(shù)8.2.3風力機翼型8.2.4風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；熟悉風輪的幾何參數(shù)，掌握風輪葉片數(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)、風輪直徑、額定風速、葉尖速比、風輪轉(zhuǎn)速等；掌握翼型的幾何參數(shù)、空氣動力特性，學會確定風力機的幾何外形的設(shè)計。重 點：葉片的幾何參數(shù)，風力機翼型難 點：翼型空氣動力特性、風力機葉片設(shè)計方法與調(diào)整8.3 風力機性能 （4）8.3.1 風力機基本性能8.3.2 風力機葉片三維效應8.3.

12、3 葉片動態(tài)失速基本要求：熟悉風力機的功率特性、轉(zhuǎn)矩特性和軸向力特性，掌握表征風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。重 點：風輪功率特性及風力機功率特性曲線難 點：風力機葉片三維效應、葉片動態(tài)失穩(wěn)四、各教學環(huán)節(jié)學時分配（建議） 序號 教學環(huán)節(jié)課程內(nèi)容教學實驗1緒論12流體靜力學33流體運動學與動力學基礎(chǔ)104低速平面位流55粘性流體動力學基礎(chǔ)56邊界層理論及其近似67二維翼型38大氣邊界層內(nèi)風特性19空氣風力機動力學14合計48五、推薦教材和教學參考書 參考教材：1、賀德馨等，風工程與工業(yè)空氣動力學. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.12、錢翼稷. 空氣動力學. 北京: 北京航空航天大學出版社 , 2005 3、（丹麥）Martin O.L. Hansen著，肖