风空气动力学参考(卫运钢2014风动班)
第一章
1、风力机组按叶片获取风能的工作原理，可分为( )与( )等。
2、风速随着距地面高度变化的曲线称为( )，该曲线常用指数公式描述为( )，其中指数在旺盛湍流时常取为( )。
3、风速在时间上的变化规律一般统计为( )形式，在风力愈大的地区，该分布曲线愈( )，其峰值会( )，这表明风力大的地区，大风速所占比例( )。
4、统计研究表明，平均风速的时间间隔取为( )较为稳定。我国采用的平均风速时间间隔为( )。
5、海上风与陆地风相比，具有“两高两低”的特点，即( )、( )及( )、( )等。
6、( )和( )是确定风况的两个重要参数；风力发电机组最重要的参数是( )和( )；标志电能质量的两个基本指标是( )和( )。
7、风力发电机开始发电时，轮毂高度处的最低风速称为( )；风力发电机达到额定功率输出时的风速称为( )；风力发电机组正常运行时的最大风速称为( )；风电机组结构所能承受的最大设计风速称为( )。
8、现阶段我国使用的风电机组出口电压大多为( )V或( )V。
9、盛行风向基本不变的风电场，常采用( )布局；海上风电场还可以采用( )布局; 盛行风向变化的风电场，常采用( )布局，要求机组间隔为( )倍的风轮直径。
10、不可压缩流体是指不考虑( )的流体，理想气体是指( )的流体，完全气体是指( )的气体。
11、完全气体的基本状态参数方程为( )。对于风来说，其密度 可具体表示为( )。注：公式中的压强单位为kPa。
12、我国国家标准规定的标准大气是指：海平面上，气压为( )、温度为( )、
风的密度为( )。
13、某地风的密度为ρ，平均风速为1v，则风压为( )，风的功率密度为( )。
14、若风的压力为101kPa，温度为15℃，则其压缩性系数为( )，膨胀性系数为( )。
15、流体的运动粘度ν与动力粘度μ的关系为( )。通过所说的流体粘度是指( )，液压油、润滑油等采用( )对应其牌号，如32号液压油等。
16、关于粘度与温度的关系，正确的是( )
A、液体粘度随温度升高而增大
B、气体粘度随温度升高而增大
C、液体粘度与温度无关
D、气体粘度随温度升高而降低
17、流体力学三种力学模型分别是连续性介质模型、( )及( )等。其中，连续性介质模型的意义在于( )。
第二章
1、描述流体运动的方法主要有( )和( )。其中，控制体是( )法的研究对象，它是指( )。
2、描述流体运动的拉格朗日法着眼于( )，欧拉法着眼于( )。我们研究“空气动力学”采用的是( )。
3、关于流管及流线，不正确的是( )
A、除奇点、驻点及相切点外，流线不能相交
B、流管内的流体不会穿出流管
C、流管的粗细不会发生变化
D、流管内的表面由流线构成
注：名词解释——流线与涡线
4、名词解释：有效截面
5、流体流动所遵循三个基本定律分别是( )、( )及( )。其中，连续性方程是( )在流体力学中的应用，伯努利方程( )在流体力学中的应用，动量方程是( )在流体力学中的应用。
6、应用伯努利方程时，两有效截面间( )
A 、必须是急变流
B 、可以出现急变流
C 、必须是缓变流
D 、必须是均匀流
7、根据Froude-Rankin 定理，风力机叶轮处的风速v 与其上游风速1v 及下游风速2v 的关系是( )。
8、根据Betz 理论，风力机从自然风中一次所获取的能量是有限的，其极限值是( )，取该极限值时的轴向诱导因子a=( )。此时，叶轮处风速v 与上游风速1v 的关系是
( )，下游风速2v 与上游风速1v 的关系是( )。
9、Betz 理论中，风能利用系数p c 的表达式为( )，推力系数T c 的表达式为
( )，转矩系数M c 与风能利用系数p c 间的关系是( )。
10、风力机叶片的能量损失除余速损失外，主要有( )、( )及( )等。
11、风力机侧的全效率等于风能利用系数、传动效率(含齿轮箱效率)、发电系统效率及升压变流效率( )。
12、风力机的Glauert 理论考虑了风的( )，所得到的风能利用系数表达式为
( )；Wilson 理论则进一步考虑了( )，所得的风能利用系数更精确些。
13、名词解释：轴向诱导因子a 、切向诱导因子a '。
(1)轴向诱导因子a ：由于风力机叶轮接受风能旋转所引起的叶轮处轴向风速的变化率(减
少)，即1
1v v v a -=。 (2)切向诱导因子a '：由于风力机叶轮接受风能旋转所引起的叶轮周向风速的变化率(增加)，即r
r u a ΩΩ-='。 14、风绕流风力机的叶片翼型时，其雷诺数表达式为( )，雷诺数的物理意义是
( )。
15、根据动量理论，风力机叶片入流角=?( )。
第三章
1、流体微团的运动形式有( )、( )、( )和( )。其中，( )的运动称为有旋运动。
2、斯托克斯定理给出了( )与( )间的等量关系；汤姆逊定理指出旋涡具有( )的性质；亥姆霍兹第一定理的表达式可写作( )。
3、在正攻角绕流翼型时，其启动涡是沿来流风速的( )方向，而附着涡是沿来流风速的( )方向，且两涡的涡通量( )，符合( )定理。
4、( )、( )和( )三种基本的流动叠加，可以得到理想不可压缩空气绕物型的有升力流动。
5、库塔-儒可夫斯基升力公式是( )，方向是( )。
6、关于边界层的说法，不正确的是( )
A、边界层的厚度顺着气流的方向逐渐增加
B、边界层内的气流速度在壁面处为零
C、所谓边界层是指贴壁处速度变化很大的薄层
D、边界层内的气流处于无旋状态
注：名词解释——速度边界层
7、以气流绕流翼型为例，解释边界层分离现象，并指出分离原因。
粘性流体绕流翼型时，在顺压区段，气流降压加速，不会发生边界层分离；但在逆压区段，由于气流降速增压，速度逐渐减少，加之粘性的阻滞作用，在翼型某位置处，流速降为零，之后在逆压作用，边界层将从脱离翼型，形成与主流相反的回流，这种现象就称为边界层分离。因此，边界层分离的两个必要条件为：(1)处于逆压区段；(2)流体粘性的阻滞作用。
8、卡门涡街是( )的旋涡组合。
A、对称产生且旋转方向相同
B、交替产生且旋转方向相同
C、对称产生且旋转方向相反
D、交替产生且旋转方向相反
注：名词解释——卡门涡街
9、美国塔科玛峡谷上的悬索桥1940年由于风吹坠毁，其根本原因是( )。
10、风力机的翼型通常具有( )流型，这种物型将使流经物面压强升高区的所谓( )小些，从而推迟边界层分离。
11、实际流体绕流翼型时，随着攻角的增加，绕流的尾迹区将( )。
12、风力机叶片的入流角?与攻角α、桨距角β的关系是( )。
13、请图示给出风力机叶轮某半径处翼型的速度三角型及受力分析(连同翼型一起做出)。
注：名词解释——攻角、临界攻角、桨距角、入流角
14、翼型的厚度或弯度增加，将使其绕流的升力系数( )、阻力系数( )，升阻比
( )。
15、翼型说明：NACA2412、NACA23012、NACA65-212等。
16、何谓风力机实度，并指出其主要影响。
17、请示意性做出某翼型的埃菲尔极曲线，并标明max l c 、min d c 及max ε等。
注：埃菲尔极曲线——绕流翼型的埃菲尔极曲线是指在不同的( )下( )与
( )的关系曲线。
18、名词解释：几何弦、气动弦、压力中心
19、写出Lilenthal 气动系数的表达式。
20、绕流翼型的升力系数与哪些因素有关:( )
A 、仅与翼型
B 、仅与攻角
C 、与翼弦与攻角
D 、与翼型与攻角
21、绕流翼型时的失速是指( )
A 、风失去速度
B 、绕流风速太快
C 、攻角大于临界攻角时的状态
D 、攻角小于临界攻角时的状态
注：名词解释——绕流失速
21、绕流风力机叶轮某叶素时的升力可表示为( )，阻力可表示为( )。
注：(1)名词解释——绕流升力与阻力
(2)解释绕流翼型升力产生的原因。
22、非对称翼型的零升攻角是( )
A 、一个小的正攻角
B 、一个小的负攻角
C 、临界攻角
D 、绕流阻力为零的攻角
23、关于升阻比，正确的是( )
A 、在最大升力系数时阻力系数一定最小
B 、最大升阻比时达到失速攻角
C 、某翼型的最大升阻比随攻角改变而改变
D 、翼型设计时，应使其升阻比达到最大
24、对于薄翼型，失速之前的升力系数l c 与攻角α的关系式为( )。
25、不同翼型，在相同的攻角下其升力系数也不同。相比较而言，平凸翼型升力系数( )，对称翼型的升力系数( ) ，双凸翼型的升力系数( )。
26、解释相比于阻力型风力机，升力型风力机获取风能更多的原因。
(1)阻力型风力机：)1(11λ-=-=v u v w ，其中，叶尖速比1<λ，因此对于阻力型叶轮翼型的来流速度w 一定小于风速1v ，则获取的风能u uF P =将更小。
(2)升力型风力机：212
121λ+=+=v v u w ，其中，叶尖速比0>λ，因此对于升力型叶轮翼型的来流速度w 一定大于风速1v ，则获取的风能u uF P =将会更大些。
27、解释旋转风杯式风轮不能用于风力发电，而常用于测量风速的原因。
28、风力机叶片从叶根到叶尖，其弦长及扭角如何变化？并解释原因。
第四章
1、轴向诱导因子a 和切向诱导因子a '的关系可写作( )。
2、风力机翼型优化设计，即取风能利用系数最大时，轴向诱导因子a 和切向诱导因子a '的关系是( )。 注：优化设计风力机翼型时，1
431--='a a a 中如何获得的？ 3、风能利用系数p c 和转矩系数M c 的关系是( )。进一步可知，M c 最大时，p c ( )最大。
4、根据风力机的叶素-动量理论，试指出对于已运行的风力机，如何求得其轴向诱导因子a 和切向诱导因子a '。已知：?σ2sin 41n r c a a =-，?
?σcos sin 41t r c a a ='-'；要求：写出主要公式。 采用迭代法求得a 和a '：
(1)假设0='=a a ；
(2)求入流角?：=?( r a v a arctg Ω'+-)1()1(1 )或=?( 1
av r a arctg Ω' )； (3)求运行攻角α：β?α-=；(桨距角β已知)；
(4)利用翼型α-l c 、α-d c 曲线，获得升力系数l c 和阻力系数d c ；
(5)计算lilenthal 气动系数：??sin cos d l n c c c +=；??cos sin d l t c c c -=；
(6)将上述已知量代入所给公式?σ2sin 41n r c a a =-，?
?σcos sin 41t r c a a ='-'，其中，r σ称为局部实度：r
Zc r πσ2=。因此，可分别求得a 和a '。 (7)考察所得a 和a '的值与假设对照，不同，则使新求得的a 和a '，重复(2)~(6)步骤，直到新求得的a 和a '与假设符合精度要求为止。
5、示意性作出某风速下风力机的λ-p c 、λ-M c 及λ-s c 曲线，并获取不同风速下的λ-max p c 曲线。
6、结合风力机性能曲线λ-p c 、λ-M c 及λ-s c ，简述随着桨距角β增大，风力机的max p c
及max M c 如何变化？记启动力矩如何变化？s c 如何变化？空载叶尖速比又如何变化？
7、简述变桨调节的主要作用。
8、示意性画出风力机的控制策略曲线。
第五章
1、风力机叶片的主体材料目前常用( )及( )等；叶片叶根处的翼型具有( )、( )及( )等特点。
2、风力机载荷根据其来源可分为( )、( )、( )及( )等。
3、风力机载荷引起的振动按作用效果可分为( )、( )，甚至是( )、
( )及( )等。
4、名词解释：塔影效应
指当风力机叶轮叶片经过塔架时，对叶片身及塔架产生的周期性不利影响，如绕流塔架的气流对叶片(上风向风力机)将产生前扰，影响工作稳定性；对塔架而言，叶片每经过一次，作用在其上的气动力会突减一次，将产生周期性载荷及振动等。
5、风力机所受载荷引起的低倍频相对于高倍频而对振动的影响( )，特别是发生
( )时更明显。
6、示意性画出风力机机舱-塔架系统的坎贝尔图，简述其构成与主要作用。
第六章
1、在保证相同翼型、叶片数及叶片材料等的情况下，若两风力机叶轮( )、( )及( )，则认为两风力机相似，可以进行相似变换。
2、在几何相似、运动相似的前提下，如果保证两风力机( )及( )相等，则两
风力机动力一定相似。
3、相似理论应用于风力机时，要特别考察其叶片缩放对性能参数的影响，如两风力机相似，
其功率P 与叶片半径R 的关系为( 21
212)(R R P P = )；转矩M 与叶片半径R 的关系为(
31212)(R R M M = )；推力S 与叶片半径R 的关系为( 21
212)(R R S S = )；转速Ω与叶片半径R 的关系为( 2112R R =ΩΩ )；重力G 与叶片半径R 的关系为( 31
212)(R R G G = )；离心力C 与叶片半径R 的关系为( 21
212)(R R C C = )；重力产生的应力G σ与叶片半径R 的关系为( 1212R R G G =σσ )；离心力产生的应力C σ与叶片半径R 的关系为( 112=C C σσ )；气动力产生的应力F σ与叶片半径R 的关系为( 11
2=F F σσ )等。 4、根据相似理论，一台无共振的风力机，按相似准则变换设计后，( )共振。
5、根据相似理论，风力机相似变换后，振动阻尼系数与叶轮的直径( )。
6、进行风力机相理论应用时，要特别注意( )的影响及( )的影响。
计算示例
1、一水平轴风电机组在风速为v 1时输出功率为P 。该风电机组的机侧全效率为η，当风力机风轮转速为n 时，求其风轮直径和叶尖速比。已知使用条件下的平均风压取为p ，平均风温取为t 。
解：(1)根据机侧全效率求风功率：
η
r P P = (2)利用风功率公式求风轮扫掠面积：
312
1v P A ρ= 其中，风密度ρ可根据克拉柏隆方程求得，即
T
p 485.3=ρ
(3)风轮直径为：
πA
D 4=
(4)利用叶尖速比公式可得：
1
130v Rn v R πλ=Ω= 2、一风轮直径为d 的水平轴风电机组，风速v 1时的额定功率为P 。当该风电机组传动效率为d η，发电机效率为g η，升压变流等效率为t η，求该风电机组的风能利用系数。已知使用条件下的平均风压取为p ，平均风温取为t 。
解：(1)获得风功率：
312
1Av P ρ=
其中，风密度ρ可根据克拉柏隆方程求得，即
T
p 485.3=ρ
(2)获得风电机组的机侧全效率：
P
P r =η (3)利用全效率求风能利用系数：
t e m p t e m p c c ηηηηηηηη=?= 3、一个Z 叶片的水平轴风力机，其风轮某叶素翼型弦长c ，升力系数为l c ，升阻比为ε。若叶素翼型的平均来流速度取w ，试求此叶素单位长度翼型上所产生的速度环量Γ及翼型所受到的气动合力F 。(风的密度取为ρ)
解：(1)利用升力公式求叶素单位长度翼型升力：
c w c Z
F l l 22
1ρ= N (2)根据库塔-儒可夫斯基升力公式可得速度环量：
w F w F l l ρρ-=Γ?Γ-= m 2/s (3)利用升阻比求叶素单位长度翼型绕流阻力：
ε
εl d d l c c c c =?= 则绕流阻力为：
c w c Z F
d d 22
1ρ=
(4)获得翼型所受到的气动合力：
2
2d l F F F +=
4、一薄翼型的零升攻角为0α，弦长为c ，其来流速度w 。若单位长度翼型上所产生的升力为l F ，试求此时该翼型的升力系数l c 及运行攻角α。
解：(1)利用单位长度翼型上的升力公式求升力系数：
c w F c c w c F l l l l 222
121ρρ=?= (2)利用升力系数与攻角的关系求攻角： 002)(2απ
αααπ+=
?-=l l c c ( 0 ) 5、风以速度1v 经过一风力机后，在下游速度变为2v 。保持轴向诱导因子a 不变，若该风力机来流风速1
v '时，输出功率P MW ，则该风力机风轮直径至少是多少？(风的密度取为ρ) 解：(1)根据贝兹理论求轴向诱导因子a ：
)1(21)21(1
212v v a v a v -=?-= (2)求风能利用系数：
2)1(4a a c p -=
(3)利用风功率公式求扫掠面积：
312
1v c P A p r ρ= m 2 (4)风力机风轮最小直径为：
ππA
D D A 442
=?=
6、一水平轴风力机，风轮直径为d 。在风速1v 时，该风力机轴向诱导因子a 。若按最优关系考量切向诱导因子a '和叶尖速比λ，则根据Glauert 理论，该风力机的输出功率为多少？(风的密度取为ρ)
解：(1)利用最优关系获得切向诱导因子：
1431--=
'a a a (2)求叶尖速比：
)1()1()1()1(2a a a a a a a a '+'-=
?-='+'λλ (3) 根据Glauert 理论求风能利用系数：
?-'=R p dr r a a R c 0
342
)1(8λ
(4)利用风功率公式得输出功率为：
3121Av c P p ρ=