《Renewable Energy》：CFD simulation of horizontal-axis sail wind turbine with controlled blades
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本研究通过数值模拟与风洞实验验证了水平轴帆式风力涡轮机采用主动叶片偏转控制策略在低风速（3-7 m/s）和高风速（15 m/s）下的性能优化效果。实验表明，小角度偏转（0-15°）使转速提升40-45%，最大功率系数达0.26；大角度偏转（45-60°）显著降低阻力4-6倍，功率系数提升15-16%。数值模型与实验数据吻合度达10-15%，证实模型有效性。提出的双模控制策略兼顾启动可靠性与强风卸载能力，拓展了小型帆式涡轮机在低风速地区的应用范围。
Nazgul K. Tanasheva|Maxim A. Burkov|Asem R. Bakhtybekova|Ainura N. Dyusembaeva|Ayanbergen K. Khassenov|Dana Z. Karabekova|Kulzhan M. Shaimerdenova|Nurgul N. Shuyushbayeva|Aigerim U. Omirbek
哈萨克斯坦卡拉干达E.A. Buketov大学工程热物理学系，邮编100024
摘要
本研究探讨了具有主动控制叶片偏转机制的水平轴帆式风力涡轮机在低风速和变化风速条件下的空气动力性能。分析了一个双叶片转子（D = 0.38 m），使用了稳态RANS CFD（MRF, k–ε）方法，并通过风洞实验进行了验证，实验中的来流速度为3–15 m/s，叶片偏转角度α为0–60°。在低风速范围（3–7 m/s）内，较小的偏转角度（α = 0–15°）可使自由旋转速度提高约40–45%，并在λ = 1.2–1.5时获得最大功率系数Cp,max = 0.26。在较高风速下，较大的偏转角度（α = 45–60°）能有效减轻转子负载：当V = 15 m/s时，阻力减少了4–6倍（从α = 0°时的23 N降至3.5–5.7 N），同时最大叶片表面压力降低了15–16%。数值和实验得到的Cd(Re)和Cl(Re)数据相差在10–15%以内，证明了CFD模型的有效性。所提出的双模主动控制策略既能确保在3 m/s风速下的可靠启动，又能减轻强风条件下的负载，从而扩大了小型帆式水平轴风力涡轮机在低风速区域的应用范围。
引言
预测表明，到2050年，可再生能源可能满足全球三分之二的能源需求[1]。在此背景下，发展“智能电网”和应用机器学习（ML）技术对智能优化能源存储系统至关重要[2]。尽管2023年风电发电量增长了10%，但分析报告指出，为了实现净零目标，年产能仍需增长17%[3]。为了提高系统可靠性，基于振动异常分析的预测性维护ML模型正在得到积极应用，这使设备停机时间减少了40%[4]。在微型发电领域，优化叶片几何参数和尖端速度比（TSR）仍然是一项关键任务，因为此类系统在城市环境中的实验功率系数可达到Cp = 0.34[5]。系统化的设计方法表明，将优化算法与CFD建模相结合，并使用先进的碳纤维增强聚合物复合材料，已成为实现理想叶片扭转和确保结构刚性的标准[6]。
研究结果表明，建模维度的选择对预测精度有重要影响：与全尺寸3D模型相比，简化的2D计算可能导致阻力系数误差高达32%[18]。为了最小化空气动力损失，正在研究被动轮廓修改（如“凹坑”[7]或涡流发生器[11]）和主动流控（AFC）方法。后者显示出更显著的效果：结合吸气和吹气功能，可以将边界层分离区减小54.68%[12]。
对AFC执行器的综合分析强调了在不同空气动力条件下选择等离子体系统或合成射流的重要性[13]。针对10 MW涡轮机优化这些参数后，每个叶片的净收益可达到36 kW[14]，而合成射流的“射流襟翼”效应在不使用机械执行器的情况下可使升力系数Cl提高超过50%[15]。在雷诺数Re = 14?106条件下对全尺寸叶片应用AFC证实了完全消除边界层分离的可能性[16]，而机械偏转器和等离子体执行器的结合可将垂直轴涡轮机的功率系数Cp提高45.68%[17]。
除了刚性叶片外，帆式系统也是分布式发电的一个有前景的方向。使用配备扭转机制的完全被动振荡叶片[9]，并结合导流叶片[10]，可使峰值效率提高1.2倍。此外，还在考虑基于6自由度操纵器的可充气叶片系统[18]以及通过“V形”叶片配置实现自启动的混合转子[8]。
然而，当前科学文献中关于在水平轴帆式装置中集成主动俯仰控制（APC）系统的部分内容仍然不足。虽然针对垂直轴涡轮机的此类算法已有详细研究[19]，但在水平轴帆式系统中应用APC仍是一个研究不足的领域，该方法可通过同步调整叶片来应对湍流条件，从而提高能量提取效率[20]。在小规模风力涡轮机中实施APC系统可以解决启动扭矩最大化的挑战，使功率系数Cp从0.22提高到0.38[21]。其他替代方案包括主动调整转子直径[22]或基于离心滑轮的被动机制用于风暴过载保护[23]。在控制算法方面，模糊逻辑方法优于传统的PID控制器，可减少33–83%的结构扭矩负载[24]。为了合成稳健的控制律，基于叶片空气动力振荡模型的自适应方法[25]和智能副翼控制系统（能够将气动弹性颤振边界移动超过18.1%[26]）被证明是有效的。帆式系统的经济可行性得到了每千瓦时0.22–0.25欧元的水平化能源成本（LCOE）计算的支持[21]，这使得此类装置在分布式城市发电领域具有很高的相关性，并解决了全球趋势分析中发现的技术差距[19]。
因此，本研究的主要目的是在低风速条件下（从3 m/s开始）对具有主动叶片俯仰控制的水平轴帆式风力涡轮机进行实验和数值验证。这项研究的科学创新之处在于首次定量证明了双模控制策略的有效性，该策略能够确保可靠的启动并在强风条件下同时减轻空气动力负载——这是被动叶片系统之前无法实现的结果。
需要强调的是，由于尚未建立通用的叶片俯仰角最优控制律，因此本研究主要是现象学性质的。这项工作并非旨在寻找全局数学最优解，而是详细展示了改变角度α如何影响空气动力趋势和负载。这有助于建立后续合成严格控制算法所需的经验数据库。
本研究的主要贡献包括开发了一个经过验证的帆式转子CFD模型，并通过实验确认在极端风速下阻力减少了4到6倍。
部分摘录
数学模型和数值模拟
可以实现叶片偏转控制的几种方法。特别是，主动控制涉及根据外部条件（风速和方向）的变化实时调整叶片偏转角度α[27]。这种方法使叶片的空气动力负载和转子的运行状态与来流的非稳态结构相匹配。
本研究的目标是进行参数分析
结果与讨论
本节系统地展示了关于帆式风力涡轮机空气动力特性的综合研究结果。分析基于在Ansys Fluent环境中获得的数值模拟数据以及在T-1-M风洞中进行的全尺寸实验测试。研究涵盖了3至15 m/s的自由流速度范围，叶片偏转角度α的变化范围为0°至60°。
结论
本研究结合了稳态CFD模拟和风洞实验，评估了在3–15 m/s风速范围内具有主动控制叶片偏转角度的水平轴帆式风力涡轮机。结果表明，适当的双模控制策略可以同时提高低风速下的启动性能并减轻强风条件下的空气动力负载。
首次证明了通过主动调整角度α可以扩展系统的
CRediT作者贡献声明
Nazgul K. Tanasheva：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，研究，形式分析，数据管理。Maxim A. Burkov：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Ayanbergen K. Khassenov：撰写 – 原稿，方法论。Dana Z. Karabekova：撰写 – 原稿，方法论。Asem R. Bakhtybekova：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
人工智能使用声明
作者感谢ChatGPT（OpenAI）在本文的措辞和语法方面提供的帮助。
资金支持
本研究得到了哈萨克斯坦共和国科学与高等教育部科学委员会的资助（项目编号：BR34636764，“卡拉干达地区绿色技术研究，以确保环境安全和创新产业的可持续发展”，资助期为2026-2028年。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Nazgul K. Tanasheva报告称获得了哈萨克斯坦共和国科学与高等教育部科学委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们也声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
