建筑储水罐集成式双联混合Darrieus-Savonius垂直轴风力机的三维优化与性能提升研究

针对城市风能利用中安装空间受限和噪声污染问题，研究人员创新性地将建筑储水罐作为支撑框架，首次集成双联混合Darrieus-Savonius垂直轴风力机(VAWT)，通过Taguchi方法优化涡轮间距(S)、配置角(?)、旋转方向(RD)等5个参数。3D URANS模型显示最优工况平均功率系数(Cpavg)达0.3159，较孤立转子提升27.65%，拓宽了TSR(叶尖速比)工作范围，为城市风电系统设计提供新范式。

　　

在城市能源转型的浪潮中，屋顶风能开发始终面临两大"拦路虎"：呼啸的涡轮噪声让居民避之不及，而寸土寸金的建筑顶部空间又让设备安装捉襟见肘。传统水平轴风力机(HAWT)需要"追着风跑"的偏航系统在楼宇林立的城市风场中显得笨拙不堪，而垂直轴风力机(VAWT)虽具有噪音低、抗湍流等优势，但单独使用时要么像Darrieus型那样启动困难，要么如Savonius型般效率低下。更棘手的是，现有建筑集成方案要么需要特殊结构设计，要么破坏建筑美学，使得城市风电推广举步维艰。

日本东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)联合埃及高等教育部的科研团队在《Renewable Energy》发表的研究中，脑洞大开地将目光投向建筑屋顶司空见惯的储水罐。这些默默承载着城市供水使命的圆柱体，在科学家眼中突然变成了绝佳的风机支撑架——既避免额外占用空间，又巧妙化解了结构承重难题。研究人员创新性地将混合Darrieus-Savonius VAWT成对安装在储水罐外围，通过五因素四水平的Taguchi实验设计，结合三维非定常不可压缩流URANS模型，首次系统探究了相对高度(h/H)、相位角(θ)等三维效应对双机协同的影响。

研究采用三大关键技术：基于正交阵列L16(4⁵)的Taguchi参数优化体系，通过信噪比(S/N)分析确定参数敏感性；采用k-ω SST湍流模型求解三维URANS方程，精确捕捉双转子交互作用；通过决定系数R²=0.981验证模型预测可靠性。

【物理模型】设计参数显示，混合转子采用NACA0021翼型Darrieus叶片与半圆柱形Savonius叶片组合，在保证储水罐检修空间( Savonius转子与检修口间距≥0.5m)和管道布置(Darrieus转子与罐底高度差≥1m)的前提下实现功能集成。

【优化结果】Taguchi分析揭示旋转方向(RD)影响力居首，反向旋转配置功率提升达18.7%；最优参数组合(?=60°, S=1.5D, h/H=0.25, θ=45°)使额定TSR从2.64提升至2.86，功率系数峰值区拓宽35%。

【流场特性】压力云图显示，反向旋转时两转子间形成持续低压区，诱导风速提升12%；涡量场证实最优配置下尾流干扰减少，相较孤立转子涡旋强度降低24%。

【讨论与展望】该研究突破性地将市政设施转化为能源装置，未来需通过流固耦合(FSI)分析评估叶片动态响应，并探索阵列扩展方案。正如通讯作者Hamdy Hassan指出，这种"一石二鸟"的设计不仅使静态储水罐变身为清洁能源发生器，更开创了城市基础设施多功能化改造的新思路——当建筑元素被重新赋予能源属性，每一座城市的水塔都可能成为微型发电站。