基于拉格朗日插值和作动体积法的水平轴风力机流场与叶片力相互作用研究

推荐：研究人员针对水平轴风力机(HAWT)气动性能预测精度不足的问题，开发了一种结合拉格朗日插值速度采样和作动体积(AV)技术的混合中保真方法。通过将叶片建模为作动体积并采用滑移网格方案，实现了流场与风力机的完整耦合。验证表明该方法能准确再现墨西哥(MEXICO)风力机的气动特性和涡流结构，全局力误差仅0.25%，为大型风力机设计提供了高效可靠的数值工具。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，风力发电作为可再生能源的重要组成正迎来快速发展期。然而，风力机大型化趋势对气动性能预测提出了更高要求——转子直径超过200米的新设计需要更精确的数值模型来降低研发风险。传统计算流体力学(CFD)方法面临巨大挑战：高精度的叶片解析仿真计算成本过高，而简化的作动盘/作动线模型又难以捕捉三维流动效应。特别是在预测叶片与塔架、机舱的复杂相互作用时，现有方法往往力不从心。

针对这一技术瓶颈，研究人员开展了一项创新性研究，开发了一种混合中保真数值方法。该方法巧妙地将作动体积(AV)技术与拉格朗日插值相结合，通过滑移网格实现旋转叶片与固定部件的完整流固耦合。研究以墨西哥(MEXICO)风力机为对象，采用直径4.5米的三叶片模型，在ANSYS Fluent平台上构建了包含3220万网格的计算域。

关键技术包括：(1)创新的速度采样策略——在转子平面前后布置四个控制点，通过拉格朗日插值消除束缚涡诱导速度的影响；(2)作动体积力计算——结合升阻力系数和普朗特叶尖损失修正；(3)非结构网格上的URANS求解——采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法；(4)基于墨西哥实验数据的多维度验证——包括轴向/径向/周向速度剖面和力分布测量。

在研究方法部分，研究团队首先验证了时空平均策略的等效性，证实时间平均可使计算效率提升50%而误差不足1%。网格敏感性分析显示界面压力误差仅-0.43%，满足网格无关性要求。特别值得注意的是，研究对比了基于转子直径(D)和当地弦长(c)两种控制点布置方案，发现全局推力系数差异仅0.25%，但叶尖攻角存在3°偏差。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

1. 力分布特性：数值结果在叶根区域(r/R=0.2-0.42)轻微低估法向力，而在叶尖区域(r/R=0.61-0.9)略有高估，这与RIS? A1-21翼型的零升攻角特性有关。
2. 轴向速度剖面：在r/R=0.61和0.82两个径向位置的轴向速度分布与实验数据吻合良好，特别是在x/D<0.35区域成功预测了叶片通过引起的速度波动。
3. 径向速度分布：下游x=+0.3m平面内的径向速度准确再现了尾流膨胀效应，但在r/R<0.55区域对实验观测到的速度突降现象模拟不足。
4. 涡流结构可视化：通过Q准则(Q=150 s^-2)成功识别出叶尖涡和根涡的演化过程，揭示了它们与塔架的相互作用机制。

讨论部分强调，该方法在保持计算效率(相比叶片解析仿真)的同时，准确预测了风力机的关键气动特性。特别是提出的拉格朗日插值策略，仅需四个控制点即可有效消除束缚涡干扰，这对非结构网格上的并行计算极具实用价值。研究也指出当前方法在叶尖区域(r/R=0.9-1.0)仍存在攻角预测偏差，未来可通过局部修正或改进插值策略进一步优化。

这项发表于《Renewable Energy》的研究为大型风力机设计提供了重要工具。其创新性的速度-力耦合方法不仅适用于常规工况分析，也为偏航条件研究奠定了基础。随着风力机尺寸持续增大，这种兼顾精度与效率的数值方法将在降低研发成本、缩短设计周期方面发挥关键作用。