能源与环境是对当今世界政治、经济和科技产生重大影响的两大因素。目前，石油和煤炭等化石能源日益枯竭，且这些能源在被利用过程中会对环境造成污染。作为一种可再生的清洁能源，风能在能源和环境问题日益突出的时代，具备了大规模开发和商业化发展的市场条件，作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的公认，风力发电在近三十年获得了迅速发展。
风力机是将风的动能转变为机械能的装置。古代风力机通常用于提水灌溉和碾磨谷物等作业，称为风车；现代风力机则主要用于产生电力，称为风力发电机。由于风车在当今已经很少使用，通常所说的风力机就是指风力发电机。风力机通常按照风轮旋转轴线与风向的夹角划分为水平轴风力机和垂直轴风力机两类。水平轴风力机的旋转轴线与风向平行，而垂直轴风力机的旋转轴线与风向垂直。已经投入大规模应用的大型风力机绝大部分为水平轴风力机，《风力机空气动力性能计算方法》的研究对象也主要针对水平轴风力机。当前主流大型风力机的主要部件有风轮、机舱、塔架、主轴、齿轮箱、发电机和控制器等。其中风轮是直接捕获风能的部件，目前最为常见的风轮由三个叶片组成。叶片的外形对风力机提取风能的效率发挥着决定性的作用，其设计方法来源于空气动力学原理。因此，开展风力机空气动力学的研究，掌握风力机空气动力性能计算方法，是风电产业的重要基础性工作。目前，在风力机空气动力学的工程应用和学术研究中，叶素动量方法、涡尾迹方法和计算流体力学方法是三种主流的计算和分析方法，也是本书重点阐述的内容。风力机叶片一般展弦比大，在远离叶尖和叶根的大部分区域具有明显的二维流动特征，这为利用叶片剖面翼型的二维气动特性来计算叶片的整体气动特性提供了便利。叶素动量方法的基本思路是：将叶片沿展向分成若干小段，每一段称为一个叶素，假设各个叶素之间不存在气动干扰，结合动量理论建立当地诱导因子与叶素翼型气动力系数之间的关系式，并求出各个叶素处的诱导因子，进而获得各叶素受到的推力和扭矩，最后积分求得叶片整体的气动力。叶素 / 动量方法思路简明，模型实现相对简单，且计算量很小，有利于快速获得计算结果和多工况计算，得到了最广泛的工程应用。涡尾迹方法将风力机流场看作是叶片附着涡和尾涡诱导的结果，不再借助动量理论求解诱导速度，而是通过毕奥 – 萨伐尔定律求解。其相对叶素动量方法的优势在于，放弃了叶素的二维假设，从而可以体现流场三维效应的影响。尾涡形状的描述是涡尾迹方法的关键，其描述方法主要有预定涡尾迹模型和自由涡尾迹模型。预定涡尾迹模型的尾迹形状是当地半径和叶片处诱导速度的预定义函数，不直接求解叶片以外的空间诱导速度对尾涡形状的影响，是一种基于实验数据的半经验模型。自由涡尾迹模型通过求解整个流场的诱导速度确定尾涡形状，比预定涡尾迹模型有更好的理论基础和普遍适用性，可以用于复杂工况的计算和考虑叶片气动弹性的计算，以及其他预定涡尾迹模型难以胜任的场合。无论是叶素动量方法还是涡尾迹方法，都依赖于风力机叶片所用翼型的气动力实验数据，且其理论基础决定了无法预测三维旋转效应和动态失速等复杂流动状态。作为流体力学重要分支之一的计算流体力学方法则可以克服以上缺陷。它使用数值方法对流体力学的控制方程进行求解，是一种通用的流场空间和时间信息求解方法。在风力机空气动力学研究中，计算流体力学方法因为具有许多先天的优点而受到越来越多的重视。计算流体力学方法求解获得的是风力机全流场的所有流动信息，在深入分析风力机流场特征方面具有其他方法不可比拟的优势。《风力机空气动力性能计算方法》分为四篇，共 12 章。第一篇为第 1～3 章，介绍了风力机空气动力学的基础知识，包括空气的物理性质、空气运动的数学描述方法以及翼型的基本知识。第二篇为第 4～6 章，论述了定常和非定常叶素动量方法，并介绍了各种必要的修正模型。第三篇为第 7～9 章，论述了定常和非定常的涡尾迹方法，包括预定涡尾迹模型和自由涡尾迹模型。第四篇为第 10～12 章，论述了计算流体力学方法，包括基于雷诺平均方法的风力机气动力仿真和基于大涡模拟方法的风力机尾流仿真。第二篇、第三篇和第四篇的内容相对独立，对其中某一篇内容感兴趣的读者可以直接阅读。王同光，南京航空航天大学教授，博士生导师，江苏省风力机设计高技术研究重点实验室主任，国家重点研发计划总体专家组专家。2007－2011年担任国家973计划 “大型风力机的空气动力学基础研究”项目首席科学家。2014—2018年担任国家973计划“大型风力机的关键力学问题研究及设计实现” 项目首席科学家。2001年8月回国后先后主持和承担了国家973项目、863项目、国家科技支撑计划项目、江苏省创新学者攀登项目等多项研究。发表论文150余篇，其中SCI和EI收录100余篇。出版《风力机叶片结构设计》等5部专著。社会兼职包括中国空气动力学会风能专业委员会副主任、江苏省海上风电叶片设计与制造技术重点实验室学术委员会主任、中国空气动力中心飞行器结冰与防除冰重点实验室学术委员会主任等。
本文摘编自《风力机空气动力性能计算方法》（王同光等著. 北京：科学出版社，2019.11）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。
《风力机空气动力性能计算方法》系统阐述了风力机空气动力性能的主流计算方法。首先介绍了与风力机有关的空气动力学基础理论，然后详细论述了叶素动量方法、涡尾迹方法和计算流体力学方法，给出了方法介绍、公式推导、计算流程和算例分析。这三种计算方法是风力机空气动力学从工程计算到理论研究的重要工具，相关论述具有突出的理论和实践意义。
本书可供从事风力机气动设计和仿真的专业技术人员使用，也可作为高等院校风能和空气动力学相关专业的本科生和研究生的参考教材。
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