大气边界层对大规模无叶片风能收集器（BWEH）性能的影响：尾迹修正的经验与数值研究

《Results in Engineering》：Impact of Atmospheric Boundary Layer on Large-Scale BWEH Performance: Empirical and Numerical Wake Modification Study

　　

该研究研究了在均匀流和大气边界层（ABL）流下，带有和不带有薄下游钝体（TDB）的大规模无叶片风能收集器（BWEH）的空气动力学和结构性能，以模拟真实环境。研究人员使用热丝风速仪和振动响应分析，考察了TDB对尾迹动力学、湍流、频率行为和诱导振动的影响。添加TDB使尾迹面积增加了约32%，而ABL流分别使无TDB和有TDB情况下的尾迹面积减少了12%和20%。TDB在均匀流和ABL流下分别使平均速度降降低了11%和23%。ABL中的平均速度比均匀流低约30%，强调了湍流的影响。TDB还稳定了湍流强度（TI），将使ABL与均匀流之间的TI差异从22%降低至8%。频率分析表明，TDB丰富了尾迹的频谱内容，改善了流固耦合（FSI），并将涡脱落模式转变为P+S模式。在结构上，TDB使均匀流下的振动幅值增加了85%，ABL流下增加了74%，直接增强了发电能力。尽管在ABL中诱导振动分别下降了43%（有TDB）和10%（无TDB），但TDB有效减轻了损失。在实际情况下，通过设计和制造一种将振动转换为电能的机构，研究表明，在ABL流中，产生的功率将下降约30%，而应用TDB可使产生的功率增加超过80%。此外，与均匀流相比，ABL流中的功率系数（CP）下降了约30%。然而，单位面积有效性（EFFA）分析显示，配备TDB的BWEH所需面积增加了7–10%。最后，展示了利用该技术进行风能收集潜力，实现了74%至85%的峰值效率增益，尽管其在Ur≤ 7时效果有限，并对此进行了讨论。总体而言，TDB集成在真实风况下为能量收集提供了实质性益处，使其成为尽管存在空间权衡但仍是一种有前景的设计解决方案。

论文解读：大气边界层下大规模无叶片风能收集器（BWEH）的性能增强与尾迹调控研究

全球能源转型背景下，风能作为清洁可再生能源备受关注。无叶片风能收集器（Bladeless Wind Energy Harvester, BWEH）通过捕获风致振动（Flow-Induced Vibration, FIV）并将其转换为电能，成为传统叶片式风机的重要补充，尤其适用于城市环境、管道传感器、浮标等场景。然而，以往关于钝体（bluff body）尾迹动力学的研究多集中于均匀流中的小尺度模型，忽视了大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）这一真实环境对大规模BWEH性能的影响，且两个不等高有限圆柱（Finite Cylinders, FCs）在ABL中的行为尚不明晰。为此，研究人员开展了一项实验与数值结合的研究，探讨在均匀流和ABL流下，主圆柱下游增设薄下游钝体（Thin Downstream Bluff Body, TDB）对BWEH尾迹结构、流致振动响应及能量收集性能的调控机制。研究得出结论：TDB能显著改善尾迹特性并大幅提升振动幅值与发电功率，虽ABL环境会削弱性能，但TDB能有效缓解此种衰减，不过会带来约7–10%的占地面积增加。该成果发表于《Results in Engineering》，为真实风环境下的高效无叶片风能收集器设计提供了新思路。

为开展本研究，研究人员采用了以下几个主要关键技术方法：在韩国釜山国立大学的HIT University大型风洞（工作断面4m×3m×25m）中进行实验，来流风速固定为3 m/s，基于圆柱直径的雷诺数（Re）约为24,000；通过被动模拟法（使用5个高3m的螺旋板及35个高100mm的粗糙元方块）在风洞中模拟了幂律指数n=0.22的中性ABL流（代表城郊等地形）；BWEH模型由直径120mm、高1000mm的圆形主圆柱（聚苯乙烯泡沫材质）和厚度5mm、同尺寸的矩形TDB组成，间距为0.36D（43.5mm）；使用单丝热线风速仪（Dantec 55P11，采样率1kHz）测量尾迹流速，使用GoPro Hero 12相机（120fps）捕捉振动位移，并使用时间分辨粒子图像 velocimetry（PIV，Phantom VEO 710相机配532nm激光片光）进行定量流场可视化；此外，还进行了自由衰减法测试以获取阻尼比（约0.0198）和自然频率，并采用ANSYS Fluent 20.0R2进行二维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）数值模拟，选用k-ω SST湍流模型及流体-结构相互作用（FSI）弹簧-质量-阻尼系统模型。

研究结果如下：

在3.1节热丝（Hotwire）分析中，研究人员首先进行了尾迹分析。结果表明，TDB的加入使尾迹面积增加约32%，而ABL流使无TDB和有TDB的尾迹面积分别减少12%和20%。尾迹宽度在ABL中较均匀流更窄，这是由于ABL较高的湍流强度延迟了圆柱表面的流动分离。速度分析显示，TDB使均匀流和ABL流下的平均速度降分别减少11%和23%，且ABL中的平均速度比均匀流低30%。湍流强度（Turbulence Intensity, TI）分析表明，TDB稳定了尾迹中的TI分布，使ABL与均匀流间的TI平均差异从22%降至8%。在3.1.2节频率响应分析中，均匀流无TDB时尾迹频谱仅存单一主频（f₁，即涡脱落频率）；加入TDB后出现了f₂和f₃两个附加峰值，表明尾迹结构复杂化；ABL流下主频降低且幅值减小，但TDB仍能在ABL中引入多频成分，表明其增强了尾迹相干性。

在3.2节移动钝体的振荡行为中，研究人员测量了顺流向（Inline, IL）和横流向（Crossflow, CF）的振动响应。在均匀流下，TDB使IL和CF振动幅值分别提升约30%和85%；在ABL流下，分别提升约17%和74%。与均匀流相比，ABL流使无TDB和有TDB的BWEH振动幅值分别下降约10%和43%，但TDB显著减轻了ABL带来的性能衰减。

在3.3节数值研究中，二维数值模拟揭示了涡脱落模式的转变：无TDB时为经典的2S模式（每侧交替脱落一个涡），有TDB时因圆柱尾迹与TDB的相互作用转变为P+S模式（配对涡+单涡），这促进了驰振（galloping）的发生，并产生更大更强的涡结构，解释了实验中振动幅值与频谱峰值的增加。ABL流下由于湍流强度高（约20%），涡结构扩散更快，相干性较弱，振荡幅值较低。

在3.4节定量流场可视化（PIV）及瞬态流型研究中，PIV结果验证了数值模拟的结论。无TDB时尾迹为2S模式，对应频谱单峰；有TDB时尾迹内在一个周期内出现三个涡（一个主涡Vortex 1和两个次涡Vortex 2、Vortex 3），对应三个频率峰值。涡量及环量计算显示，有TDB时最大涡量达400 1/s（无TDB为350 1/s），环量达3.5（无TDB为1.2），证明TDB增强了涡强度与能量传递。

在3.5节产生功率和功率系数（C_P）中，研究人员设计了将振动转为单向转动并驱动发电的Recti-Generator（效率约69%）。结果显示，均匀流下TDB使发电功率提升约87.5%，ABL流下提升约83.7%；ABL流中的发电功率比均匀流低约33.3%。C_P在ABL下有TDB时比均匀流低约30.5%。

在3.6节单位占地面积有效性（EFFA）及阵列布局中，引入EFFA指标（兼顾占地紧凑度与振动幅值）。计算表明，有TDB时EFFA在均匀流和ABL中分别为76.08%和69.39%，均高于无TDB情况，但TDB会增加约7–10%的所需面积，这在风场布局中需权衡。

讨论与结论总结：研究人员在讨论中指出，以往钝体研究多忽略ABL下的BWEH应用，而本研究填补了两个不等高有限圆柱在ABL中行为的空白。结论是：ABL环境会降低BWEH性能（振动幅值下降、涡脱落频率降低、尾迹变窄），但集成TDB能大幅改善尾迹动力学（增加尾迹面积、稳定TI、引入多频成分、转变涡脱落模式至P+S、增强涡环量），使均匀流下CF振动幅值提升85%、ABL下提升74%，发电功率在ABL中提升超80%，并有效将ABL带来的性能损失从43%降至10%。尽管TDB会带来7–10%的面积增加，但其对真实风况下BWEH效率的提升使其成为一种极具前景的设计策略。