综述：垂直轴风力机J型叶片应用综述：空气动力学分析、关键参数与研究方法

《Journal of Engineering Research》：A review of applications of J-shaped blades in vertical-axis wind turbines: Aerodynamic analyses, key parameters and research methods

　　

可持续能源，特别是风能，作为传统不可再生能源的替代方案已获得显著发展势头。然而，风能转换系统，尤其是达里厄型垂直轴风力机（VAWTs），存在启动转矩低的局限性。这一缺陷可通过采用J型叶片这一新兴风力机结构来缓解，该结构结合了升力型和阻力型机理以提升空气动力学性能。本综述首先聚焦于该风力机结构的空气动力学特性。随后，对影响性能的参数进行了整理和系统分类。已有研究中识别并考察了与几何改型和运行条件相关的九个重要参数。此外，本研究还汇编并比较了以往研究中所采用的研究方法。同时给出了最优参数范围、批判性评估以及未来的方法论和研究方向，以进一步推动J型叶片垂直轴风力机的研究和工业应用。

空气动力学性能与流动动力学

流动特性与涡量生成

J型叶片垂直轴风力机在运行中，当叶片旋转进入上风区域时，来流相对速度（V_rel）冲击J型叶片外侧，部分阻挡气流。这种阻塞效应在弯曲区域诱发流动分离和涡量生成，形成强涡结构，其中许多涡在凹腔内循环。这些涡并未迅速向下游脱落，而是在叶片表面附着较长时间。被捕获的涡量增强了叶片内表面的抽吸效应，形成更低压区域和更强的叶片表面压差。该压力梯度加速了吸力侧的局部流速，使边界层获得额外动量并保持更长时间附着，从而延迟动态失速的发生，提升整体空气动力学性能。

当叶片进入下风区域时，由于上风区域另一叶片对流动的扰动，下风叶片经历的局部风速降低，相对速度（V_rel）相应减小。部分被捕获的涡逐渐耗散，延迟了流动分离并降低了阻力惩罚。J型叶片的弯曲几何结构还使流动再附着更加平顺，从而改善转矩生成并减少空气动力学损失。

在计算流体动力学（CFD）研究中，Abdallah等人建议采用Gromeka加速度考察J型叶片的性能。该加速度定义为涡量与速度的叉积，用于量化旋转流动强度并控制叶片表面附近的角动量传递。在下风区域，常规叶片表现出比J型叶片更高的Gromeka加速度值和更大的分布面积，这些值集中于剧烈涡脱落和流动分离区域，表明存在影响叶片空气动力学行为的不稳定尾流特性。相比之下，J型叶片记录到更低量级和更小面积，这归因于凹腔在稳定流动演化中的突出作用。

尾流特性

考察尾流区域的湍流强度对于理解非定常空气动力学特性和流动稳定性至关重要，这些因素强烈影响垂直轴风力机的结构疲劳和整体效率。J型转子产生的尾流更窄，湍流强度低于常规转子，具体而言，湍流强度最多降低12.3%。这一改善归因于后缘几何结构的改变，促进了更好的流动再附着并减少了大规模涡的形成。相比之下，常规转子中较高的湍流强度表明存在涡脱落和流动不稳定性，这可能导致叶片上的波动气动载荷，加速结构退化并导致功率输出不稳定。

升力、阻力和转矩性能

J型叶片同时包含升力和阻力是其改善启动转矩和整体性能的关键因素。该风力机结构在低叶尖速比（TSR）下依赖阻力改善启动转矩，而弯曲外表面随转速增加逐渐产生升力。升力由吸力面和压力面之间的压差产生，与常规叶片类似。阻力通常被认为对运动不利，但一定量的受控阻力对垂直轴风力机在启动阶段是有利的。常规叶片产生的阻力极小，不足以产生初始旋转转矩。然而，J型凹腔面向来流，由于捕获气流而产生更高阻力，从而产生更大推力。该形状在一定的攻角（AOA）范围内还提供比常规叶片更大的升力。

在零或极低攻角下，阻力系数很小且升力系数可忽略。随着攻角（方位角）增加，升力影响变得更加显著，作用于两种叶片轮廓并产生更高转矩。在特定临界攻角下，常规叶片失速，而J型叶片可通过扩展有效范围延迟失速，从而提高近失速升力系数。具有勺形几何的J型叶片表现出优于常规叶片的阻力生成能力，源于其类萨沃纽斯空气动力学特性，能够有效捕获和保持凹面内的涡，产生更大尾流区域、增强流动再循环和叶片后方更强的低压区，从而增强叶片表面压差并放大空气动力学阻力。在相同来流风速下，两种力共同产生更多转矩并克服转子惯性，从而增强自启动能力和旋转效率。

力矩和功率性能

J型叶片在特定方位角（约80°、200°和320°）表现出比常规叶片更高的力矩系数，表明更强的转矩生成，尤其是在上风区域，这归因于叶片凹腔改善的流动控制和延迟的流动分离。尽管J型叶片在某些方位角表现出轻微负力矩系数，但在整个旋转过程中仍保持更高的整体力矩系数。

对于两种转子，功率系数随叶尖速比增加而增大，在叶尖速比约2.2之后显著下降。在叶尖速比低于2.5时，J型叶片转子的功率系数显著高于常规转子。J型叶片受益于较弱的上风区域动态失速效应和减少的下风区域流动分离，从而产生更高的力矩和功率。当叶尖速比超过该范围，叶片经历更强的动态失速，丧失其空气动力学优势。

影响风力机性能的关键参数

几何改型

展弦比：定义为高度（h）与半径（R）之比。较低展弦比对应更短更宽的转子，较高展弦比对应更高更窄的叶片。已有研究仅考察了单一展弦比值，如Rabei采用展弦比1，Pan等人采用展弦比2，但尚未有在固定运行条件下对不同展弦比进行直接比较的报道。

叶片翼型：翼型在中弧线、厚度分布、后缘和前缘形状及对称性方面存在差异。Celik等人使用NACA0018比较常规和J型叶片性能，发现J型叶片性能更高。Auyanet等人使用NACA0015评估多种J型叶片设计，从参考翼型弦长（c）约40%处开始上表面切割的设计性能最佳。Rosmin等人比较NACA0010、NACA0015和NACA0018，发现NACA0015性能最优。Celik等人比较NACA0012、NACA0018、NACA4518、NACA4518-reversed、NACA218和NACA218-reversed，NACA0018和NACA218-reversed性能较高。Rabei比较对称NACA0018和非对称FX63-137，FX-63-137性能最佳。Mohammed比较S1046、NACA0015和NACA0021，S1046性能最高。目前研究主要集中在NACA翼型，对FX、S和DU翼型的研究有限。

弦长（c）和厚度也影响叶片轮廓。Akhlaghi等人发现最大弦长实现最佳性能，Zamani等人指出更大叶片厚度改善空气动力学性能但增加齿槽转矩。Akhlaghi等人将直J型叶片改为螺旋J型叶片，60°螺旋角优于0°和30°。Kashani等人将J型转子与萨沃纽斯转子结合，转矩生成最多提升19%。

流动控制方法：分为主动和被动两类。在J型叶片垂直轴风力机应用中，仅两项研究采用被动流动控制。Kord和Barzargan在J型叶片上应用格尼襟翼，襟翼位置固定在1.0c，高度0.075c性能最佳，内侧格尼襟翼（0.75c）性能优于常规J型叶片，而外侧和双侧格尼襟翼降低性能。Farzadi等人在叶片凹腔内引入挡板控制涡，最优位置和数量分别为0.5S和2，减少了涡通过叶尖的泄漏，产生更小涡并改善吸力面和压力面之间的压差。

排数：转子可配置为单排或双排。Mirzaeian等人发现双排配置性能高于单排，归因于流动再附着机制。Mirzaeian等人的进一步研究也发现双排J型叶片增强了启动转矩并在更宽运行范围内增加功率输出。Ahmad和Abid将J型叶片应用于内排、外排和组合配置，性能随叶尖速比显著变化，外排配置在极低叶尖速比（低于0.5）和较高叶尖速比范围性能较高，内排配置在叶尖速比约0.6至1.1范围内性能较高。

开口比：定义为开口端距离除以弦长（c）。Naik和Sanjoo对NACA0020翼型评估0至0.25c的开口比范围，仅0.15c产生显著改善。Pan等人报告0.15c开口比在0c至0.25c范围内性能最高。Hamad等人分析NACA0008、NACA0015和NACA0024三种翼型的下表面开口比，NACA0008以0.33c开口比性能最佳。Chen等人指出最优开口比随配置变化，下表面最优为0.48c和0.60c，上表面最优为0.72c和0.84c，因为上下表面分别在上风和下风区域主导性能。

桨距角：指叶片弦线与圆周路径切线之间的夹角。Rabei评估-2°至4°的桨距角范围，4°桨距角性能最佳。Siddiqui等人评估0°至12°，最优桨距角为6°。Celik等人则认为最优桨距角为2°，该角度增加了叶片有效攻角（AOA），特别是在下游区域，改善转矩捕获并延迟失速。负桨距角不推荐采用。最优桨距角的差异可能源于使用不同翼型。

实度比：表示叶片占据扫掠面积的比例。Akhlaghi等人分析最多五片叶片的配置，五叶片配置在低叶尖速比下性能较高，但在叶尖速比高于3.6时性能下降，此时三叶片配置性能更高，归因于叶尖速比增加导致的尾流效应增强。Mohamed等人考察0.1、0.15和0.2的实度比，0.15和0.2在低叶尖速比（低于3）下性能相同且高于0.1，但在较高叶尖速比下0.1性能更高。Sagharichi等人将实度比范围扩展至0.2至0.8，推荐实度比0.5因其分离倾向较低。

运行条件

雷诺数：表征风力机周围流体流动状态的无量纲量，代表惯性力与粘性力之比。多项研究报告J型叶片在雷诺数1.8×10³和4×10⁴下表现出较高性能。