《Fluids》：Enhancing Self-Starting Characteristics of Darrieus Wind Turbine: Effects of J-Blade on Performance of Double-Darrieus Turbine
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达里厄垂直轴风力机（VAWTs）为传统水平轴风力机（HAWTs）提供了一种颇具吸引力的替代方案。然而，达里厄风力机较差的自启动性能仍然是一个亟待改进的重大局限。本研究探讨了旨在改善达里厄风力机自启动性能的设计改进方案。研究人员采用非定常雷诺平均纳
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达里厄垂直轴风力机（VAWTs）为传统水平轴风力机（HAWTs）提供了一种颇具吸引力的替代方案。然而，达里厄风力机较差的自启动性能仍然是一个亟待改进的重大局限。本研究探讨了旨在改善达里厄风力机自启动性能的设计改进方案。研究人员采用非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方法，并利用SST k–ω湍流模型，对包含NACA 0021翼型及由同一翼型衍生的70%、60%和50%切割比J型叶片的双达里厄风力机的性能与流动物理特性进行了评估。研究人员对设计改进所导致的扭矩系数和压力系数变化进行了详细研究。结果表明，在低叶尖速比条件下功率系数有所改善。在入口速度为9 m/s、叶尖速比为1.5时，平均功率系数提升超过100%。本研究结果表明，增设第二转子（J型叶片）不仅改善了自启动性能，还提升了基础涡轮机在低叶尖速比下的性能。此外，对达里厄风力机进行几何改型可为解决其自启动问题提供一种有前景的解决方案，而无需依赖外部启动扭矩源。
论文解读文章
一、研究背景与研究意义
随着全球清洁能源需求的持续增长，风能凭借其技术成熟度、成本下降趋势及资源丰富性，已成为最具可行性的可再生能源选项之一。水平轴风力机（HAWTs）主导着大规模风能生产领域，但其复杂的设计和高昂的成本促使研究人员探索替代性风力机概念。垂直轴风力机（VAWTs）因其结构简单、制造成本低而受到广泛关注，其中达里厄风力机凭借较高的效率成为研究热点。
然而，达里厄风力机的应用始终受制于其较差的自启动能力这一关键瓶颈。在低转速条件下，叶片运行在不利的过高攻角状态下，产生的扭矩不足以克服阻力和机械阻力，导致机组难以自行启动。这一问题严重制约了达里厄风力机在低风速环境下的应用推广。已有研究尝试通过主动和被动两类方法解决该问题：主动方法涉及外部启动系统以增加启动阶段的气动扭矩，但会引入额外复杂性、增加成本或降低正常运行效率；被动方法中，采用J型叶片替代NACA叶片受到较多关注，但J型叶片在高叶尖速比下存在功率系数较低和噪声较大的缺点。
混合式垂直轴风力机及多转子结构被提出以克服达里厄风力机的自启动难题。达里厄-萨沃纽斯混合风力机因其萨沃纽斯内转子能提供可观启动扭矩而受到重视，但这种结构在提升自启动性能的同时，内转子的额外阻力、尾流干扰和流动阻塞会导致峰值功率系数下降。在此背景下，利用J型叶片替代萨沃纽斯转子构建混合结构成为一种新颖且尚未充分探索的方案。J型叶片转子几何结构更简单，在低速运行时可产生阻力型扭矩，且在高叶尖速比下产生的阻力小于萨沃纽斯转子。然而，关于内J型叶片转子与外达里厄转子之间气动相互作用的研究在现有文献中仍然十分有限。
本研究正是针对上述研究空白，通过分析包含内J型叶片转子的混合双达里厄风力机的性能，系统考察三种J型叶片切割比（70%、60%和50%）对混合风力机性能的影响，旨在回答以下核心问题：混合多转子结构能否改善三叶片达里厄转子结构的性能？改变J型叶片切割比对混合风力机性能产生正向还是负向影响？不同切割比和不同叶尖速比下混合风力机性能变化幅度如何？J型叶片的加入对外转子气动特性有何影响？三叶片达里厄转子在混合结构中的最优运行叶尖速比是多少？
二、关键技术方法概述
研究人员采用二维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方法，结合SST k–ω湍流模型，利用Ansys Fluent 24.2商业求解器开展数值模拟。计算域尺寸为30D×24D（D为转子直径），阻塞率控制在5%以下。采用滑移网格方法处理转子与定子间的相对运动，计算域划分为旋转域和静止域。网格生成采用Ansys meshing工具，叶片表面设置20层边界层膨胀层，首层厚度依据y?=1选取。时间步长依据各叶尖速比对应的角速度设定为半度旋转时间。网格无关性验证选取约48.8万网格单元。模型验证与Castelli等人（2013）的实验数据及多项已报道计算研究结果进行了对比，整体趋势吻合良好。模拟持续至第25转以确保旋转周期性收敛。
三、研究结果
3.1 J型叶片切割比对性能的影响
研究人员通过对比不同切割比混合风力机与基准达里厄风力机的平均功率系数发现：在低叶尖速比1.5至2.0范围内，所有混合风力机均显著提升了功率系数，其中叶尖速比1.5时提升最为明显，功率系数从0提升至0.04。叶尖速比2.0时功率系数提升13%。然而，当叶尖速比超过2.5后，混合风力机性能开始下降；在叶尖速比3.0以上时，混合风力机功率系数低于基准达里厄风力机，这归因于内J型转子在高转速下阻力显著增大。在切割比方面，70%切割比在叶尖速比2.0时提供最大提升，而50%切割比在叶尖速比2.5和3.5之间提供了最佳的综合性能平衡。此外，混合风力机表现出更大的瞬时功率系数循环波动，这将影响机组运行中的疲劳载荷和振动特性。
3.2 J型叶片转子加入对性能的影响
研究人员对达里厄叶片DB1的扭矩系数和压力系数进行了详细分析。在叶尖速比1.5时，混合风力机在大部分旋转周期内扭矩系数明显提升，这归因于内外转子间的气动相互作用：J型叶片转子产生的阻力型扭矩与达里厄转子升力型扭矩形成有利组合。压力系数分析表明，混合风力机在90°和315°方位角处叶片吸力面与压力面之间的压差增大，直接促进了升力产生和扭矩提升。在叶尖速比3.0时，混合风力机在所有四个分析方位角（50°、90°、270°和315°）上的压差均低于达里厄风力机，尤其是270°方位角处压差显著减弱，这归因于内J型叶片在高转速下消耗了流场动能，使外达里厄叶片在该位置面临能量匮乏的来流条件，削弱了有利于升力产生的压力梯度。
3.3 切割比对流动物理特性的影响
压力场演变分析显示，在叶尖速比1.5时，混合风力机在90°方位角处吸力面尾缘区域呈现更大的低压区，压力面高压区更强，从而产生更高的压差和更好的升力产生。J型转子还通过加速内转子区域流动并将流向重新导向外达里厄转子，改善了外转子前进叶片周围的压力场分布。在叶尖速比3.0时，混合风力机在270°方位角处吸力面压力减弱，压力分布更加弥散，表明气动性能减弱。
流线特征分析表明，在叶尖速比1.5时，混合风力机在270°方位角处叶片呈现对角流型，与达里厄风力机的大致水平流型不同，这种流向变化由内转子与流体的相互作用引起。在叶尖速比3.0时，270°方位角处流线在方向和强度上均发生显著变化，反映了动能匮乏导致的升力下降。混合风力机内部呈现更大的尾流区和回流区，表明气动损失增加。
湍流强度分布分析显示，在叶尖速比1.5时，混合风力机内部和外围区域呈现更高的湍流强度分布，J型转子产生的湍流促进了来流与转子内部区域之间的动量交换，对接近外叶片的流动起到增能作用，在270°至330°方位角区间贡献了改善的气动性能和增加的扭矩输出。在叶尖速比3.0时，湍流分布转变为叶片后方的精细尾流结构，外转子分离减少、能量提取增加，但J型叶片在动能匮乏条件下主要产生阻力并产生负扭矩。
J型叶片气动行为分析表明，在叶尖速比1.5时，J型叶片作为辅助阻力型转子产生额外启动扭矩，同时将来流重新导向外达里厄叶片。在叶尖速比3.0时，J型叶片周围流型发生根本性改变，流线呈现更多垂直运动，阻力显著增加，J型转子从旋转辅助装置转变为运动阻碍装置，降低了混合系统整体效率。
四、设计改进建议与结论
研究人员建议采用动态角速度策略以最大化混合风力机性能：采用共轴旋转结构解耦两转子运动，内J型转子应在叶尖速比0.75至1.0范围内运行（其运行特性部分类似于萨沃纽斯转子）；在高叶尖速比2.5至3.5时，应降低J型转子角速度或完全停止其运动以减少阻力。可采用行星齿轮机构实现内转子角速度调节，或采用带摩擦离合器的飞轮调速器在高速时解耦并停止内转子旋转。但需注意，这些改进将增加设计成本和复杂性，可能违背垂直轴风力机设计简洁、成本低廉的初衷。
研究结论可概括为：增设第二组J型叶片转子提升了自启动性能并增加了低叶尖速比（1.5和2.0）下的功率输出，叶尖速比1.5时功率系数从0提升至0.04，叶尖速比2.0时提升13%，但叶尖速比2.5之后性能下降。降低J型叶片切割比在低叶尖速比下不损害混合风力机功率输出，且在部分高叶尖速比下略有改善：与70%切割比相比，50%切割比在叶尖速比2.0、2.5和3.0下功率系数分别提升5.1%、2.03%和2.2%。第二转子的加入改变了基础转子的升力和阻力特性，在低叶尖速比下改善了混合风力机性能，表明J型叶片主要作为低速增功装置而非高速效率提升机制。
