水平轴风力发电机叶尖开孔与内流导管的空气动力学特性数值模拟及其尾流控制机制研究

为解决水平轴风力发电机(HAWT)叶尖涡流对气动性能及下游涡轮机的负面影响，研究人员开展了一种新型叶尖开孔与内流导管结构的设计与CFD模拟研究。结果表明，新模型在高速工况(≥600 rpm)下转子功率提升6.4%，尾流传播距离减少50%，并优化了轴向和切向诱导因子分布，为风力发电机叶尖涡控制提供了创新技术方案。

　　

在全球能源转型与碳中和目标推动下，风能作为清洁可再生能源的重要组成部分，其开发利用技术日益受到重视。水平轴风力发电机（HAWT）因其较高的风能转换效率和成熟的商业化模式，成为当前风能利用的主流技术。然而，风力发电机运行过程中，叶尖区域形成的叶尖涡流（Tip Vortex）会显著影响其自身气动性能，并对下游风力发电机产生干扰，降低整个风电场的发电效率。因此，如何有效抑制叶尖涡流、优化转子气动性能并缩短尾流传播距离，成为风力发电机设计领域的重要课题。

目前，针对叶尖涡流的控制策略主要包括翼梢小翼（Winglet）等技术，但这些方法存在叶片质量增加、制造成本提高和结构可靠性受影响等问题。为此，本研究提出了一种创新的主动式叶尖涡控制方法，通过在叶片叶尖和轮毂开设孔洞，并通过内部导流管道连接，利用转子旋转产生的离心力和轮毂与叶尖之间的压差，将高压气流从轮毂区域引导至叶尖区域，从而减弱叶尖涡强度。

为验证该设计的有效性，研究团队基于NREL Phase VI风力发电机模型，建立了1/8缩比模型，并采用计算流体动力学（CFD）方法进行了系统的数值模拟。研究选取SST k-ω湍流模型，结合结构化网格和SIMPLEC算法，对不同转速下原始模型和新模型的气动性能及尾流特性进行了对比分析。

在研究方法上，作者主要采用了以下关键技术：首先，基于CFD的数值模拟方法，使用SST k-ω湍流模型准确捕捉流场特性；其次，通过网格独立性验证，确保计算结果的可靠性；第三，利用Phase VI实验数据对数值方法进行验证，保证模拟精度；第四，设计多种叶尖和轮毂开孔参数组合，优化新模型的结构配置；最后，通过对比分析轴向/切向诱导因子、压力分布和尾流扩散特性，全面评估新模型的气动性能。

研究结果表明，新模型在不同转速下均表现出优于原始模型的气动特性。具体来说：

在3.1小节“新型模型不同结构参数对转子功率的影响”中，通过对比六种不同开孔参数配置，发现Case 3（d1/C=5%，d2/D1=15%）在高速工况下转子功率最高，其原因是较大的轮毂开口加速了内部管道气流，提高了叶尖射流速度。

在3.2小节“新型模型对转子功率的影响”中，分析显示在低转速（500–700 rpm）下，新模型与原始模型的功率曲线接近；而当转速达到900 rpm时，新模型的功率比原始模型提高6.04%，表明新模型在高速工况下具有明显的性能优势。

在3.3小节“新型模型对叶尖速度分布的影响”中，研究发现新模型在x方向速度分量显著高于原始模型，y方向速度分量则较低，说明新模型有效抑制了压力面向吸力面的横向流动，优化了叶尖流场结构。

在3.4小节“新型模型对诱导因子的影响”中，结果表明新模型的轴向诱导因子(a)和切向诱导因子(b)均小于原始模型，表明新模型对来流的影响更小，气动效率更高。

在3.5小节“新型模型对叶片表面压力分布的影响”中，压力分布对比显示，新模型在吸力面和压力面之间形成更大的压差，特别是在900 rpm时，新模型的压力分布更均匀，低压力区范围更大，进一步证实其气动性能的提升。

在3.6小节“新型模型对尾流分布的影响”中，尾流分析表明，新模型在高速工况下显著缩短了尾流传播距离，并加速了横向扩散。在900 rpm时，新模型的尾流在10D位置已完全耗散，而原始模型仍存在高速区，表明新模型对下游风力机的干扰更小。

在3.7小节“新型模型对叶尖区域流线的影响”中，流线可视化显示，新模型有效抑制了叶尖区域的流动分离和反向流动，使流场更加稳定有序。

综上所述，本研究通过数值模拟方法系统分析了一种新型水平轴风力发电机的气动性能和尾流特性。结果表明，该设计通过内部导流管道和叶尖射流机制，有效抑制了叶尖涡流，提高了转子功率输出，优化了诱导因子分布，并显著缩短了尾流传播距离。这一创新设计不仅为风力发电机的叶尖涡控制提供了新的技术路径，还有助于提升风电场整体效率和经济效益，特别适用于大型海上风力发电机的性能优化。该研究成果发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》，对风力发电机设计及风能利用技术的发展具有重要参考价值。