使用多保真度CFD框架对添加端板的微尺度水平轴风力涡轮机叶片进行空气动力学设计与性能分析 Néstor Alca?iz-Brull, Pau Varela, Pedro Quintero, Roberto Navarro

《Machines》：Aerodynamic Design and Performance Analysis of Micro-Scale Horizontal-Axis Wind Turbine Blades with Endplate Addition Using a Multi-Fidelity CFD Framework Néstor Alca?iz-Brull, Pau Varela, Pedro Quintero and Roberto Navarro

　　

摘要

向可再生能源的转型使风能成为实现全球碳中和目标的关键技术。虽然大规模风力发电场目前占主导地位，但微型水平轴风力涡轮机在偏远和农村地区具有巨大的分布式能源发电潜力。本研究通过对比分析三种计算方法（经典叶片元素动量理论（BEMT）、QBlade 2.0.9.6软件和计算流体动力学（CFD）模拟），提出了一种设计微型风力涡轮机叶片的综合性方法。该方法的选择基于精度与计算成本之间的权衡。通过数值模拟对叶片几何形状进行了评估，性能评价依据包括功率系数分布、峰值功率输出和切入风速。研究表明，由于三维效应（包括旋转失速延迟），稳态CFD模拟预测的峰值功率系数比BEMT高23.34%，比QBlade高22.46%。考虑到非稳态效应，CFD模拟的结果比稳态模拟的结果低4.08%。在优化后的叶片设计中添加端板可显著提升性能。这种多保真度方法为微型风力涡轮机设计提供了一个稳健的框架，兼顾了计算效率和精度要求，并研究了添加端板的影响。