综述：振荡流涡轮系统中的计算建模策略：基于威尔斯涡轮模拟的批判性评论

《ARCHIVES OF COMPUTATIONAL METHODS IN ENGINEERING》：Computational Modeling Strategies in Oscillating-Flow Turbine Systems: A Critical Review Based on Wells Turbine Simulations

本综述对2010至2025年间应用于振荡水柱（OWC）系统威尔斯涡轮（Wells Turbine）仿真的计算流体动力学（CFD）策略进行了批判性综合。文章重点评估了湍流模型（如SST k-ω、γ-Reθ）、网格划分策略、求解器配置及验证实践，特别强调了转换模型使用、网格质量指标、边界层设置及残差标准报告的一致性。尽管CFD已成为设计和优化的主要工具，但文献揭示了仿真设置、验证方法和文档标准存在显著不一致。为此，本文提出了一个针对威尔斯涡轮应用的CFD工作流程，旨在增强可重复性、支持方法透明度，并指导波浪能系统未来的CFD研究。

　　

背景介绍

波浪能作为一种可再生能源，因其能量密度高、可预测性强、可用性一致及负载因子高等优点而备受关注。在多种波浪能转换器（WEC）中，振荡水柱（OWC）系统因其工作原理简单、设计稳健而被广泛研究和实际应用。OWC系统通过波浪运动引起气室内水柱周期性升降，驱动管道中的涡轮将气动能转化为机械能。其中，威尔斯涡轮（Wells Turbine）因其对称翼型和自整流特性（无需导叶控制）成为OWC系统的首选。然而，其性能受失速和自启动特性差限制，促使大量研究通过计算流体动力学（CFD）手段优化设计。

威尔斯涡轮工作原理与变体

威尔斯涡轮在振荡流条件下工作，叶片通常采用NACA 00XX系列对称翼型。其主要变体包括单平面配置、双平面配置、带导叶涡轮、对转涡轮及自变桨距涡轮等。优化参数主要集中在叶片几何形状，包括叶片厚度比、实度（σ）、桨距角、端板配置、展弦比、后掠角、叶尖间隙（TC）和叶尖比等，目标是在效率（η）、扭矩系数（T*）和压力降（Δp）之间取得平衡。

早期数值研究（截至2008年）

早期CFD研究始于20世纪90年代，如Watterson和Raghunathan使用NEWT代码进行三维模拟，探讨实度和叶尖间隙等基本参数。Setoguchi、Kim、Torresi等团队为威尔斯涡轮CFD发展奠定了基础，多采用稳态或准稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟，湍流模型以Spalart-Allmaras（S-A）和标准k-ε为主。这些研究虽在捕捉瞬态分离效应方面有限，但为后续商用求解器（如ANSYS Fluent、CFX、STAR-CCM+）和开源平台（如OpenFOAM）的应用铺平道路。

CFD方法与仿真框架

湍流模型选择

湍流模型的选择对模拟精度至关重要，尤其是涉及非定常流动和失速预测时。雷诺数（Re = ρVl/μ）是重要判据，威尔斯涡轮研究中常以弦长（c）为特征长度。研究表明，当Re > 4×10⁵时需采用湍流模型，但多数研究Re不超过10⁶。常用模型包括：

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  一方程模型：如S-A模型，计算高效，适用于边界层主导流动。
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  两方程模型：如标准k-ε、Realizable k-ε（R k-ε）、RNG k-ε及SST k-ω。其中SST k-ω因能更好处理逆压梯度流动，近年应用广泛。
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  转换模型：如γ-Re_θ模型，适用于低Re数下的层流-湍流转换流动，能更准确预测失速 onset。
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  大涡模拟（LES）：可解析瞬态流动结构，但计算成本高，应用较少。

湍流模型参考文献

k-ε with enhanced wall treatment[128]

R k-ε with wall function[55,59,60,62,63,129-131]

SST k-ω[52,57,58,64,65,67,69,71-77,80,81,83-88,91,94-98,128,144-176]

γ-Re_θ[61,68,165,181]

对比研究发现，不同模型预测结果存在差异。例如，Ghisu等指出在转换流态下，γ-Re_θ模型比完全湍流模型更符合实验数据；而Mohamed等则认为R k-ε模型与实验吻合最佳。总体而言，尚无单一模型被一致认为最优，选择需结合流态、计算资源等因素。

网格策略与影响

网格质量直接影响仿真精度。主要策略包括：

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  结构化网格：以六面体单元为主，网格正交性好，边界层分辨率高，适用于几何规则场景，是早期和近年研究主流。
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  非结构化网格：采用四面体或混合网格，灵活性高，便于处理复杂几何，但近壁分辨率需额外棱柱层加密。
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  多面体网格：在STAR-CCM+中有应用，边界层分辨率具优势，但使用较少。

网格独立性测试（Grid Independence Test）是验证网格分辨率的必要步骤，常用方法包括网格分辨率法（观察关键参数随网格数变化趋势）和网格收敛指数（GCI）法。后者通过Richardson外推定量评估离散化误差，GCI < 5%通常可接受。然而，许多研究未充分报告网格敏感性分析参数，如第一层厚度（y_H）、增长比（GR）和层数（NL），降低了结果的可重复性。

近壁处理中，无量纲壁面距离Y⁺= y_Pu^*/ν是关键参数。对于低Re模型，目标Y⁺≈ 1；若使用壁函数，Y⁺≈ 30–300。多数研究以Y⁺≈ 1为目标设置膨胀层，但鲜有研究汇报模拟后实际Y⁺验证值。

计算域与边界条件

计算域大小影响仿真成本和精度。常见域长配置比例如4:6或4:8（上游:下游），以平衡边界效应和计算效率。域内旋转部件模拟方法包括：

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  单参考系（SRF）：整个域旋转，简单但仅适用于单区域。
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  多参考系（MRF）：不同区域分配不同转速，结合冻结转子（Frozen Rotor）或混合平面（Mixing Plane）接口处理转子-静子交互，是稳态模拟常用方法。
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  滑移网格（SM）：网格间存在相对运动，可精确捕捉瞬态效应，但计算量大。
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  动网格（MM）：用于大变形或流固耦合（FSI）问题。

方法类型网格运动描述

SRF稳态全域旋转简单，但不适用于多区域设置

MRF稳态无不同区域分配不同转速，需接口模型（如冻结转子）

滑移网格非定常相对运动精确解析瞬态转子-静子相互作用

压力-速度耦合算法（如SIMPLE、SIMPLEC、PISO）和离散格式（如一阶/二阶迎风、QUICK、MUSCL）也影响收敛性和精度。多数威尔斯涡轮研究采用SIMPLE/SIMPLEC耦合二阶迎风格式。时间离散则多用隐式欧拉（一阶）或二阶隐式格式（如BDF2），并需验证时间步长独立性。

研究成果与优化方向

CFD研究主题可归纳为以下几类：

1. 1.
   几何修改：如优化翼型（NACA 0015/0020/0021）、改变实度、调整桨距角、采用后掠/前掠叶片、可变弦长设计等，旨在提升扭矩和延迟失速。
2. 2.
   被动流动控制：包括叶片表面处理（凹坑、波纹、肋条）、叶尖处理（半径化叶尖、端板）、叶尖间隙优化、吸力槽、表面槽道等，以改善边界层发展和减少损失。
3. 3.
   外围附加装置：如机匣处理（凹槽）、导叶、外部体（如失速圆柱），用于预旋流或流场稳定。
4. 4.
   数值方法改进：如采用非定常模拟（URANS、LES）、耦合集总参数模型（Lumped Parameter Model）模拟OWC腔室相互作用、引入机器学习优化等。

这些研究显著拓展了威尔斯涡轮的操作范围和效率，但也存在验证不一致、报告参数不全等问题。例如，部分研究使用与实验不匹配的翼型进行验证，或未明确说明湍流模型近壁处理方式，影响结果可比性。

验证实践与局限性

验证是CFD模型可靠性的基石，但威尔斯涡轮研究的验证实践存在不一致：

• •
  部分研究使用自行实验数据验证，如Curran和Gato（1996）的NACA 0015数据、Setoguchi等（1998）的NACA 0020数据。
• •
  有些研究验证不足，如仅对比单一工况点，或未明确几何参数（如实度参考位置）。
• •
  少数研究完全缺少验证，或引用来源含糊不清。

标准化报告框架的缺失是当前领域的主要挑战。未来需明确网格参数（单元数、节点数、Y⁺值）、收敛标准（残差、质量不平衡）、几何定义（实度参考位置）等，以提升研究的可重复性。

未来研究方向

基于现有空白，未来研究可聚焦：

1. 1.
   转换模型系统评估：在低Re数流态下，比较γ-Re_θ等转换模型与完全湍流模型的性能。
2. 2.
   数值格式基准测试：量化压力-速度耦合算法和离散格式对收敛性和精度的影响。
3. 3.
   高保真近壁处理：强化Y⁺验证和全局网格质量指标（如偏斜度、正交质量）报告。
4. 4.
   多物理场耦合：将涡轮模型与OWC腔室振荡流动全耦合，模拟真实瞬态行为。
5. 5.
   机器学习辅助优化：开发代理模型或混合CFD-ML方法，加速设计和控制。
6. 6.
   开放基准框架：建立共享CFD基准案例和开放数据集，促进社区验证与比较。

结论

威尔斯涡轮的CFD模拟已成为优化其气动性能的核心工具。本文批判性综述了2010–2025年间相关研究的建模策略，揭示了在湍流模型选择、网格策略、数值设置和验证实践上的不一致性。提出的标准化CFD工作流程和未来研究方向，旨在提升模拟的可靠性和可重复性，推动波浪能转换技术的发展。同时，威尔斯涡轮作为振荡流系统的代表，其CFD方法论也对其他流体机械的仿真具有借鉴意义。