混合垂直轴涡轮机效率优化：内外叶片设计、转子结构及转速调控的动态改进研究

针对混合型垂直轴涡轮机在高速比(TSR)下性能下降的问题，研究人员通过CFD模拟分析了Savonius-Darrieus转子组合的动态设计改进。结果表明，采用薄型NACA翼型、塌陷转子结构及降低内转子转速可显著提升效率（峰值功率系数达0.3354），为可持续能源技术提供了优化方案。

　　

混合垂直轴涡轮机因其结合Savonius转子的自启动能力和Darrieus转子的高转速性能，成为可再生能源领域的研究热点。然而，这种混合设计在高速比(TSR>2.3)时面临严重的效率衰减问题，主要源于内部Savonius转子产生的涡流脱落和阻力效应。印度理工学院的研究团队通过计算流体力学(CFD)模拟，系统评估了叶片形态、转子结构和转速调控对性能的影响，相关成果发表于《Renewable Energy》。

研究采用二维CFD模型，验证了实验数据后，重点测试了四种改进策略：将Savonius转子叶片从半圆形改为椭圆形；优化Darrieus转子的NACA翼型厚度；采用塌陷转子设计；调节内转子转速。关键技术包括动态网格生成、涡流场分析和多参数耦合模拟。

Savonius转子形状的影响
对比半圆形和椭圆形内转子发现，椭圆设计未能改善性能，因其产生的扭矩波动抵消了理论优势。

Darrieus叶片优化
将NACA 0021替换为更薄的翼型（如NACA 0018），使高速比下的效率提升12%，证实薄翼型能减少流动分离。

塌陷转子设计
通过压缩内转子直径，在TSR>2.3时效率提高5-7%，因减小了尾流涡流尺度。

转速调控机制
降低内转子转速至Darrieus转子的0.2倍，峰值功率系数达0.3354，超越纯Darrieus涡轮机，表明异步旋转可优化能量捕获。

结论指出，动态调整内转子转速是最有效的改进策略，而叶片厚度变形需结合转速调控才能发挥协同效应。该研究为混合涡轮机的动态设计提供了理论框架，推动其在变风速环境中的应用，对实现可持续能源目标具有重要意义。