基于主动气流控制的风力机叶尖涡抑制新方法与气动性能优化研究

本研究针对水平轴风力机叶尖涡导致气动性能下降及尾流干扰问题，创新性地提出了一种通过轮毂与叶尖开孔连接内部导流管道的主动控制策略。利用离心力与压力差驱动气流，有效抑制叶尖涡强度。CFD模拟结果表明：在900 rpm转速下，新型设计使转子功率提升6.4%，尾流传播距离减少50%，为提升风能利用效率和优化风电场布局提供了新技术路径。

　　

随着全球能源转型加速，风能作为清洁可再生能源的重要组成部分，其开发利用受到广泛关注。水平轴风力机（HAWT）因其较高的风能转换效率和成熟的商业化模式，成为风能利用的主导技术。然而，风力机运行过程中产生的叶尖涡严重影响了其气动性能，不仅降低自身功率输出，还会对下游风力机产生尾流干扰，导致整个风电场效率下降。传统叶尖流动控制技术如翼梢小翼虽有一定效果，但存在增加叶片质量、提高制造成本、影响结构可靠性等问题。因此，开发一种高效、低成本、易于实施的叶尖涡控制方法具有重要意义。

针对这一挑战，研究人员在《Journal of Ocean Engineering and Science》上发表了一项创新研究，提出了一种新型水平轴风力机设计。该设计在轮毂和叶片尖端开设开口，并通过内部导流管道连接，形成完整气流通道。利用转子旋转产生的离心力和轮毂与叶尖之间的压力差，将高压气流从轮毂区域导向叶尖区域，从而削弱叶尖涡强度。

研究采用计算流体动力学（CFD）方法进行系统模拟，使用SST k-ω湍流模型和结构化网格，确保了计算精度。通过网格独立性验证，确定了适用于新旧模型的网格策略。研究基于NREL Phase VI风力机的1/8缩比模型，对比分析了原始模型与新型设计在不同转速下的气动性能和尾流特性。

主要技术方法包括：建立包含静止域和旋转域的计算流体动力学模型，采用SST k-ω湍流模型处理湍流问题，使用第二阶迎风格式进行空间离散化，采用SIMPLEC算法处理压力-速度耦合，设置速度入口和压力出口边界条件，并确保Y+值约为1以满足壁面函数要求。

3.1. 不同结构参数对新模型转子功率的影响

研究人员设计了6种不同参数配置的新模型，通过对比分析发现：案例3（d1/C=5%，d2/D1=15%）在高速工况下表现最佳，其轮毂开口直径远大于叶尖开口，加速了管道内气流，产生更高的叶尖射流速度，从而显著提升气动性能。

3.2. 新模型对转子功率的影响

在低转速（500-700 rpm）下，新旧模型功率曲线接近；当转速达到800 rpm时，新模型功率开始显著超越原始模型。在900 rpm时，新模型峰值功率比原始模型提高6.04%，且不改变最佳运行转速。在高速工况下，新模型始终保持性能优势。

3.3. 新模型对叶尖速度分布的影响

在x方向速度分量上，新模型始终高于原始模型，主要得益于叶尖开口的射流气流。在y方向速度分量上，新模型明显低于原始模型，有效抑制了压力面向吸力面的横向流动。在z方向速度分量上，新模型显著增加，增强了轴向流动效率。

3.4. 新模型对诱导因子的影响

新模型的轴向诱导因子较小，对来流影响更弱。切向诱导因子也较小，表明新模型对x方向气流的影响较弱。转速对轴向诱导因子影响较小，但切向诱导因子在额定工况下最小。

3.5. 新模型对叶片表面压力分布的影响

在所有转速下，新模型在叶片压力面和吸力面之间的压差均大于原始模型。在900 rpm时，新模型吸力面的低压区几乎覆盖整个表面，而原始模型仅在前缘附近有集中低压区。在1200 rpm时，新模型能更有效地限制压力面的流动分离。

3.6. 新模型对尾流分布的影响

在600 rpm时，新模型的尾流传播距离较长；在900 rpm时，新模型的y方向尾流传播距离明显缩短；在1200 rpm时，新模型仍保持更好的尾流扩散特性。新模型通过叶尖射流向尾流注入额外动能，但加速了速度扩散。

3.7. 新模型对叶尖区域流线的影响

在900 rpm下，原始模型叶尖区域存在明显流动分离和大规模反向流动；新模型则显著改善了流动分离，流线分布更加连贯有序，提高了气动性能和运行稳定性。

研究结论表明，这种新型叶尖涡控制策略能有效提升风力机气动性能，特别是在高转速工况下效果显著。新设计不仅提高了功率输出，还缩短了尾流传播距离，减弱了对下游风力机的影响。该方法具有增加叶片结构质量有限、不产生额外气动阻力、制造成本可控、易于改造现有风力机等优势，为大型海上风力机的性能优化提供了新的技术途径。

该研究的创新点在于利用风力机自身的压力差和离心力驱动内部气流，实现了主动的叶尖涡控制，避免了传统方法增加附加装置的问题。研究成果对提高风电场整体效率、优化风力机布局、降低运维成本具有重要意义，为风力机设计提供了新思路。未来研究可进一步探索不同叶型、不同工况下的适用性，以及实际工程应用的可行性。