水平轴风力涡轮机中小翼效应对功率性能和尾流动力学的数值研究

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Numerical investigation of winglet effects on power performance and wake dynamics in horizontal axis wind turbines

　　

Oluwatuyi N. Johnson | Jhon J. Qui?ones | Rita Appiah | Venkatesh Pulletikurthi | Luciano Castillo

摘要

本研究探讨了翼片几何形状如何影响水平轴风力涡轮机的尾流动力学及相关的压力波动，以及这些效应如何转化为功率输出和尾流恢复的变化。通过使用非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes）模拟，对比了两种翼片设计与基准涡轮机的性能。该模拟采用了SST湍流模型（具体公式见下文）。结果表明，优化后的翼片略微增加了近尾流区域的速度亏损，同时降低了湍流强度。扩展型翼片将沿流向的平均速度亏损降低到了距涡轮机直径D为1D的距离，并使湍流水平接近基准涡轮机。对于这两种翼片几何形状，在距离涡轮机直径D为1D的位置之后，速度亏损和湍流强度的差异变得可以忽略不计。此外，翼片还有助于加快尖端涡环的衰减，减少了尾流涡度并削弱了相干结构。平均动能通量分布表明，翼片抑制了近尾流区域的湍流产生，同时增强了下游的能量传输。优化型和扩展型翼片分别使功率系数提高了8.97%和9.43%，推力增加了14%。均方根压力波动（$p$' role="presentation">$p_{\mathrm{rms}}^{߰}$' role="presentation">）显示，尖端涡旋引起的压力峰值更弱且更平滑，且在更短的沿流向距离内消失。这些结果表明，基于翼片的叶片尖端改进措施提高了空气动力效率，减少了涡旋诱导的不稳定性，从而提升了下游的能量可用性和风电场的发电量。