使用重叠网格方法对斜向来流引起的风力驱动萨沃尼乌斯风力机群尾流相互作用进行计算分析

《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy》：Computational analysis of wind-driven Savonius turbine clusters using overset mesh for oblique inflow-induced wake interaction

　　

摘要

本研究考察了在斜向来流条件下水平排列的多台萨沃纽斯风力涡轮机之间的空气动力学耦合与相互干扰，弥补了文献中关于簇状垂直轴涡轮系统风驱动自由旋转动力学研究的明显空白。采用高保真计算流体力学（CFD）模拟，在多个斜向来流角度下研究了两个间距较近的萨沃纽斯转子周围的流场，以量化上游尾迹诱导剪切层对下游涡轮性能的影响。利用剪应力传输（SST）$\mathit{k}$–$\mathit{\omega }$湍流模型与重叠（Chimera）网格方法相结合，建立了二维风驱簇状涡轮框架，能够准确解析复杂的转子间尾迹相互作用、非定常涡脱和瞬态流结构。采用单台萨沃纽斯涡轮的实验基准数据验证数值框架，为评估涡轮间空气动力学耦合建立可靠的基准。对涡轮间距（$\mathit{S}$）和斜向来流角度（$\mathbf{\theta }$）的参数化研究表明，来流角度$\mathit{\alpha }={\mathbf{50}}^{°}$时产生最有利的空气动力学相互作用，在间距比$\mathit{S}=\mathbf{0.3}\mathit{D}$时实现最大功率提升$\mathbf{33.81}\%$。研究结果为簇状萨沃纽斯涡轮的最优空间布置和角度对齐提供了有价值的见解，突出了上游尾迹诱导剪切流在提升下游转子效率和整体能量捕获方面的关键作用。

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