考虑叶尖涡效应的垂直轴风力机二维CFD模型修正方法研究

《Renewable Energy》：Correction for two-dimensional CFD models of vertical axis wind turbines considering the blade tip vortex effect

本文针对垂直轴风力机(VAWT)二维计算流体动力学(CFD)模型存在的叶尖涡效应忽略问题，创新性地提出通过引入质量源和动量源项来修正二维非定常雷诺平均Navier-Stokes(uRANS)模型的方法。该修正有效模拟了三维叶尖涡对中截面流动的诱导作用，将叶片扭矩偏差从34.1%降至6.9%，为提升垂直轴风力机气动性能预测精度提供了新思路。

　　

研究亮点

通过三维全尺寸模型捕捉到的叶尖涡结构分析，深化了对叶尖涡结构的理解，并获得了这些涡演化所需的速度，用于更新二维模型中的虚拟叶尖涡。随后展示了质量源分布，并与z向速度分布进行对比，确认叶尖涡效应已成功引入。

结果与讨论

本节首先分析了三维全尺寸模型捕获的叶尖涡，以深化对叶尖涡结构的理解，并获取这些涡的演化速度，用于更新二维模型中的虚拟叶尖涡。然后，展示了质量源分布，并与z向速度分布进行了比较，以确认叶尖涡效应已被成功施加。最后，通过比较修正后的二维模型与三维模型中截面结果，在叶片气动力变化、流速分布和涡量分布等多个方面验证了引入质量源和动量源方法的有效性。

结论

为提高二维uRANS CFD模型预测直叶片垂直轴风力机(VAWT)气动性能的准确性，提出了一种将叶尖涡诱导效应纳入二维uRANS CFD模型的方法。该方法包括构建虚拟叶尖涡、计算诱导速度，以及在二维流场上施加质量和动量源项。研究结果突显了三维流场中叶尖涡的复杂结构，阐明了二维模型与三维模型中截面结果的偏差原因，并验证了所提修正方法的有效性。