波浪边缘叶片对Savonius水动力涡轮性能提升的实验研究及其在可再生能源中的应用

为解决Savonius水动力涡轮效率低下的问题，研究人员创新性地探索了波浪边缘叶片设计对性能的影响。通过实验对比外缘、内缘及双缘波浪叶片的效果，发现外缘波浪在特定P/λ=0.15时可提升12%的功率系数(Cp)，而内缘波浪则降低性能。该研究为小型水电系统优化提供了新思路，发表于《Applied Ocean Research》。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，水动力能源作为最具开发潜力的清洁能源之一备受关注。Savonius水动力涡轮因其结构简单、成本低廉而成为研究热点，但其较低的能量转换效率始终制约着实际应用。传统改进方法如改变叶片形状或增加导流装置效果有限，亟需突破性创新。

受座头鲸鳍肢波浪前缘启发，研究人员将生物力学原理引入涡轮设计。这种自然界优化方案在水平轴风力涡轮中已显现优势，但在Savonius涡轮领域尚属空白。SVNIT的研究团队通过系统性实验，首次探究了波浪边缘对Savonius水动力涡轮性能的影响机制。

研究采用控制变量法，保持波高(P=10mm)不变，调节波长(λ)获得6种P/λ值(0.1-0.6)。通过数控机床精密加工叶片，在椭圆水槽中测试三种构型：外缘波浪、内缘波浪和双缘波浪。实验采用恒定雷诺数条件，通过测量轴扭矩和转速计算功率系数(C_p)和扭矩系数(C_t)。

3. 外缘波浪叶片实验结果
数据显示P/λ=0.15时功率系数提升12%，这是因波浪外缘延迟了流动分离，形成低压区引导流体转向。但P/λ>0.2时性能骤降，反映波浪几何参数存在临界阈值。

4. 内缘波浪叶片性能分析
所有测试案例均表现不佳，最大降幅达15%。内缘波浪会扩大流动旁通区，削弱重叠射流对转子的推动作用，证明Savonius涡轮对内部流动扰动极为敏感。

5. 双缘波浪的综合效应
相位差90°的双缘波浪产生复合效应：初期性能随P/λ增加而下降，在P/λ=0.45后趋于稳定。流动可视化显示该设计导致间歇性停转现象，揭示复杂涡流相互作用机制。

这项研究首次系统论证了波浪边缘在Savonius涡轮中的双面效应：外缘波浪在特定几何参数下可显著提升性能，而内缘波浪始终产生负面影响。成果为小型水电装置优化提供了新范式，特别适用于灌溉渠道等低流速场景。未来研究可拓展至全周向波浪叶片及不同雷诺数条件下的性能验证，推动生物启发设计在可再生能源领域的应用。