《Energy》：Investigation of the Aerodynamic Characteristics in Twin-rotor Carousel Wind Turbines
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本研究提出双转子垂直轴涡轮机（VAWT）正交叶片配置，通过URANS模拟和Taguchi优化分析TSR=1.5-5.0、攻角0°-9°工况，发现90°相位偏移可减少35%负力矩间隔，在TSR=3.0时最大功率系数显著提升，有效抑制动态失速。
Z. Baizhuma|N. Kalassov|M. Isataev|Z. Gabitova|K. Baizhumanov|A. Kuykabaeva|Z. Seydulla|N. Auyezkhan
哈萨克斯坦国立大学，热能与技术物理系，阿拉木图，哈萨克斯坦
摘要
本研究提出了一种双转子垂直轴风力涡轮机（VAWT）的配置方案，其中四个叶片被分成两组正交的对，以实现相位偏移的空气动力载荷和更平稳的力矩生成。在八个尖速比（TSR = 1.5–5.0）和叶片俯仰角范围（β = 0°至9°）下，使用剪切应力传输（SST）湍流模型进行了非稳态二维雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds–Averaged Navier–Stokes）模拟，以评估力矩动态和流动行为。最佳运行条件确定为TSR ≈ 3.0和β = 0°时，此时最大功率系数达到。与文献中报道的传统单转子布局相比，所提出的配置将负力矩区间减少了约35%，并在更宽的TSR范围（2.5–4.0）内保持了稳定的性能。流场分析表明，90°的叶片相位布置可以减轻动态失速效应，并在旋转周期内抑制扭矩的显著下降。这些结果为双转子布局的空气动力优势提供了定量证据，并为未来的三维模拟和实验验证建立了可复制的框架。
引言
垂直轴风力涡轮机（VAWT）由于其几何结构简单、全向运行能力、占地面积小以及对偏航不对准的敏感度低，在分布式可再生能源应用中重新受到了关注[1]。与水平轴风力涡轮机不同，VAWT能够在高度不均匀的来流条件下有效运行，使其特别适合在建筑环境和城市中部署[2]、[3]。最近对城市风场的高保真度研究表明，湍流放大、流动分离以及建筑物周围的涡流相互作用显著影响了空气动力载荷和性能稳定性[4]。这些条件要求转子配置能够在非稳态来流下保持稳定的扭矩生成。
尽管具有这些优势，但由于持续的空气动力挑战，传统Darrieus型VAWT在工业上的广泛应用仍然受到限制。这些挑战包括在低尖速比（TSR）时自启动能力不足、转子旋转过程中扭矩波动明显，以及在下风区域出现负力矩区间[5]。这些现象主要与动态失速有关，其特征是流动分离延迟、涡流脱落以及升力和阻力响应的滞后[6]。这种非稳态空气动力行为降低了循环平均功率提取率，并增加了循环载荷幅度，从而影响了疲劳寿命和结构可靠性[7]。
为了确保后续分析的清晰性，这里定义了关键性能指标。自启动能力是根据低TSR时循环平均力矩系数的符号和大小来评估的[8]。负力矩区间指的是转子旋转过程中瞬时力矩系数变为负值的方位角部分，表明存在空气动力制动。扭矩波动定义为完整旋转周期内的峰峰值变化。在升力-攻角（AoA）极坐标图中观察到的滞后现象被解释为动态失速和相位滞后空气动力响应的表现[9]、[10]、[11]。
已经提出了多种方法来减轻VAWT中的扭矩波动。几何平滑技术，如螺旋形或扭曲叶片设计，旨在沿方位角更均匀地分布空气动力载荷[12]；然而，它们并不能消除与下风失速相关的负力矩区间。混合阻力-升力配置，包括Savonius-Darrieus组合，可以改善自启动性能，但会增加额外的阻力损失，从而限制了空气动力效率的峰值[13]。主动控制策略，包括可变俯仰机构和先进的模糊控制方法[14]，可以调节攻角和瞬态载荷，但会增加机械复杂性。在集成到电网中的风力系统中，瞬态频率-电压支持策略进一步强调了在波动风条件下的动态稳定性[15]。多转子和同轴配置利用了空间分离转子之间的尾流相互作用[16]；然而，这些布置主要依赖于外部空气动力耦合，而不是刚性组件内部的相位偏移扭矩补偿。
尽管取得了这些进展，但作为扭矩平滑机制的被动内部相位偏移叶片配对仍然缺乏足够的量化研究。具体来说，尚未使用非稳态计算流体动力学（CFD）系统地评估正交耦合叶片对在方位角上产生相位偏移力矩的空气动力潜力。因此，有必要对这些配置进行结构化的研究，以确定是否可以通过纯粹的几何相位补偿来实现扭矩稳定。
准确描述动态失速和扭矩演变需要非稳态流动建模[17]、[18]、[19]。在本研究中，使用剪切应力传输（SST）k-w湍流模型进行了二维非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（2D URANS）模拟。风工程中的湍流相关性研究强调了来流结构对瞬态载荷行为的影响[20]，而最近在过渡敏感建模方面的进展强调了边界层发展在失速预测中的重要性[21]。旋转体的非稳态尾流分析进一步展示了雷诺应力和涡流动力学在旋转流不稳定性中的作用[22]、[23]。尽管三维效应（如尖端涡流和展向流动）可能会影响绝对性能值，但二维URANS建模为参数变化的比较趋势分析和相对排名提供了一个计算效率高的框架[24]、[25]、[26]、[27]。
选择了对称的NACA 0021翼型，是因为其结构厚度、在双向来流下的对称升力特性，以及在经历交替攻角条件的Darrieus型涡轮机中的广泛应用。虽然曲面轮廓可能会改变瞬时升力特性，但对称配置允许在当前研究中更清晰地分离相位偏移的空气动力效应[28]
。
参数优化被构建为一个多因素空气动力筛选问题，旨在在减少扭矩波动幅度的同时最大化循环平均力矩系数。尖速比和叶片俯仰角被视为控制变量。尽管基于人工智能的替代建模和强化学习方法在空气动力优化中越来越受到应用[29]、[30]，但结构化的统计设计方法（如Taguchi方法）对于CFD密集型参数研究仍然有效，提供了正交性、因素贡献分析和降低的计算成本[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。多目标优化框架在复杂工程问题中展示了鲁棒性[37]、[38]；然而，对于在固定几何约束下的空气动力比较筛选，Taguchi方法提供了一个可解释且计算效率高的解决方案。
除了空气动力效率之外，扭矩稳定还可以提高结构寿命和生命周期的可持续性。减少循环载荷幅度可以减轻疲劳积累，支持维护效率和长期运行可靠性[39]。在分布式可再生能源系统和风力涡轮机技术的循环经济策略背景下，这些考虑越来越重要[40]
。
尽管对垂直轴风力涡轮机进行了广泛的研究，但大多数研究集中在单转子配置、螺旋叶片、混合布局或主动俯仰控制策略上，以减轻扭矩波动和提高效率。然而，作为被动空气动力相位补偿机制的刚性耦合正交叶片对的潜力仍然很大程度上未被探索。特别是，缺乏系统性的研究来探讨几何诱导的相位偏移载荷如何在不增加机械复杂性的情况下稳定力矩系数并延长高效运行时间。
本研究通过引入一种新型的双转子配置来填补这一空白，该配置采用了90°刚性耦合的L形叶片对，并结合URANS模拟和基于Taguchi的优化框架进行了详细的非稳态空气动力分析。主要贡献包括：（i）开发了一种基于几何的扭矩稳定概念；（ii）对其对力矩演变和功率系数影响的定量评估；以及（iii）识别出能够在更宽TSR范围内提高性能的稳健运行参数。
方法论
本研究将CFD模拟与基于Taguchi的优化相结合，以研究一种新型四叶片双转子VAWT的空气动力特性，其中两对叶片在中心轴周围以90°的正交位置排列。这种特定的几何结构（图1）引入了成对转子之间的相位补偿空气动力相互作用，旨在提高力矩系数的稳定性和自启动能力。
如图2所示，本研究采用了
结果与讨论
所提出的VAWT布局的空气动力和性能结果是通过非稳态二维CFD模拟和基于Taguchi的优化得出的。分析研究了TSR和如何影响升力、阻力、力矩和功率系数。为了组织讨论，首先在叶片层面评估数据，以展示运行条件如何影响空气动力载荷。TSR被分为三个区域：失速主导区域（TSR < 2）；过渡最优区域（2.5 < TSR <
结论
本研究数值研究了一种双转子四叶片VAWT，其中叶片被分成两组正交的对。主要发现总结如下：
- •
URANS模拟揭示了三个运行区域：（i）低TSR（1.5–2.5），其特征是阻力驱动行为和强烈的动态失速，但力矩系数足以实现自启动；（ii）最优TSR（3.0–3.5），此时升力占主导，力矩滞后减少，力矩系数保持主要为正；以及（iii）高
CRediT作者贡献声明
Zhandos Baizhuma：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据整理、概念化。Muhtar Isataev：形式分析。Nurdaulet Kalassov：监督、项目管理、资金获取。Nurkeldi Auyezkhan：可视化、验证、概念化。Kadirbek Baizhumanov：验证。Zarina Gabitova：软件。Zhanibek Seydulla：数据整理。Ayzhan Kuykabaeva：调查
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
作者声明，ChatGPT（OpenAI）仅用于手稿选定部分的语言润色和风格调整，包括引言、方法论和讨论部分。AI工具没有参与科学思想的生成、数据分析、结果解释或结论的制定。所有科学内容、建模程序和验证完全由作者负责。
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所述的工作。
致谢
本工作是在2025-2027年科学和技术项目定向融资竞赛的框架内进行的（哈萨克斯坦科学与高等教育部）。项目主题：BR28713563“具有智能控制的混合风能-太阳能发电系统，以提高不同气候条件下的能源效率。”
