《Advances in Mechanical Engineering》：Optimization design of a novel wind-lens using Kriging surrogate model and differential evolution algorithm
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城市风电利用面临低风速与高湍流挑战，风透镜（wind-lens）技术通过气动优化提升涡轮捕能效率。研究人员提出一种新型风透镜，其母线基于5点三阶准均匀B样条曲线（B-spline curve），并在扩压段出口设法兰（flange）以集中气流。几何参数（收缩段长
城市风电利用面临低风速与高湍流挑战，风透镜（wind-lens）技术通过气动优化提升涡轮捕能效率。研究人员提出一种新型风透镜，其母线基于5点三阶准均匀B样条曲线（B-spline curve），并在扩压段出口设法兰（flange）以集中气流。几何参数（收缩段长度、扩张段长度、开口角、法兰高度）通过最优拉丁超立方采样（OLHS）、计算流体力学（CFD）、Kriging代理模型与差分进化（DE）算法联合优化。结果表明：来流5?m/s时，喉部平均流速达8.6?m/s（1.72倍），最大10.9?m/s（2.18倍）；文丘里（Venturi）与伯努利（Bernoulli）效应协同增强抽吸、加速气流并抑制湍流损失；法兰诱导尾缘涡形成稳定低压区，放大抽吸与聚风、降低内部损失。集成至阿基米德螺旋风力机（ASWT）后，在叶尖速比（TSR）为3时功率系数（Cp）达0.71，为裸机峰值（TSR=2时Cp=0.28）的2.54倍，且高效区向更高TSR拓展。该方法为城市低风速场景提供高效优化路径与工程潜力。
研究背景与问题提出
城市环境平均风速低、湍流强度高，导致分布式风力机捕能效率下降，同时噪声与振动问题限制其密集部署。风透镜（wind-lens，一种通过特殊流道集中并加速来流的风电增效装置）可改善上述工况，但既有研究多依赖简化几何描述、仅调参少数变量，且直接CFD优化计算成本极高，难以高效探索高维设计空间。为此，研究人员开展一项新型风透镜构型设计与气动优化研究，目标是兼顾几何灵活性与计算效率，提升低风速下的流动加速与能量捕获能力。
研究方案与结论概览
研究人员提出一种带出口法兰的收?扩轴对称风透镜，采用三阶准均匀B样条（B-spline，一种保证C2连续的光滑参数曲线）刻画回转体母线，以收缩段、扩张段控制点坐标及法兰高度为设计变量；通过OLHS采样生成130组样本并用以CFD（计算流体力学）求值，构建Kriging代理模型（一种基于高斯过程的代理模型）逼近几何?性能关系，再用差分进化（DE）算法全局寻优，最后以CFD校验。结论是：优化构型在5?m/s来流下喉部均速8.6?m/s（放大1.72倍），最大10.9?m/s；作用于阿基米德螺旋风力机（ASWT）时，Cp在TSR=3达0.71，为裸机2.54倍，且运行TSR范围拓宽。该研究意义在于用灵活参数化与代理模型替代试错式CFD，降低计算负担并揭示聚风?抽吸协同机制。
关键技术方法
研究人员采用五项核心方法：其一，B样条母线参数化，以5控制点三阶准均匀B样条实现光滑可变剖面；其二，最优拉丁超立方采样（OLHS）在设计空间取130样本；其三，基于SST k–ω湍流模型的稳态RANS（雷诺平均纳维?斯托克斯）CFD求解，用网格收敛指数（GCI）控离散误差；其四，DACE工具箱构建Kriging代理模型，球形相关函数、留一交叉验证R2=0.85；其五，DE/rand/2/bin差分进化策略全局搜索最优几何。
研究结果
优化结果
DE约30代收敛。优化后P?(?284.5,100)、P?(?51.94,54.26)、P?(86.05,48.84)、P?(326.36,104.65)、法兰高148.84?mm；Kriging预测喉部均速8.6?m/s，CFD校验8.9?m/s，误差3.4%。来流3–7?m/s扫描显示放大系数1.48–1.72，设计点最佳，非设计点仍有效。
内部流场
对比基准、带法兰与优化构型：优化型在收缩?喉部形成更集中高速区，喉部均速8.6?m/s、峰值10.9?m/s；压力分布更连续，出口低压区尺度合理，既维持抽吸又避免过大逆压梯度；流线显示再循环区收窄、剪切层更有序，尾迹恢复更快。速度剖面在x/d≈0.1出现峰值，对应推荐转子布置位。
集成ASWT性能验证
裸机与风透镜?ASWT对比：Cp由裸机TSR=2时0.28提升至TSR=3时0.71（2.54倍），峰值向高TSR偏移。流场显示喉部加速、扩压段抽吸诱导环境气流入流，尾迹更窄、恢复更快；叶片压力面高压更强、吸力面低压更显，叶表压差增大带来更高气动扭矩。
讨论与结论翻译
讨论指出，优化型通过收缩段加速、扩压段与法兰低压区抽吸协同，提高过转子有效流量与扭矩；超越峰值TSR后Cp回落。结论如下：研究人员提出一种B样条母线驱动、Kriging?DE联合优化的新型风透镜；该构型显著加速喉部流动并利用尾缘涡低压区降低内部损失；在ASWT上实现Cp=0.71（裸机2.54倍）并拓展TSR工况；所建参数化?代理模型?进化优化框架，可为城市低风速风电设备提供高效、低计算成本的工程设计方法。
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