这项工作的主要目标是研究多叶片水平轴风力发电机（HAWT）转子周围的三维流场，并研究其性能特点，采用计算流体力学商业软件对该新型转子设计的空气动力性能进行评估。
本文介绍的是一种新型的多叶片转子风力涡轮机的流动特性的数值研究，它是由Thunderbird Power Corp专利的一种新概念。
该发明介绍了一种水平风机，由多个帆组成，这些帆由从轴心向外延伸的几个臂支撑。
(资料图片)
此外，转子的后侧还连接着一个护罩，能够帮助机器捕获风能。
多叶片转子风力涡轮机
该专利还披露了在第一转子系列中添加第二转子的想法，每个转子都与一个独立的轴相耦合，两个轴通过离合器机构相连。
专利声称，与相同直径的单独转子相比，多转子概念能够提供更多的功率。
该涡轮机可用于发电和抽水，下图展示了多叶片和多转子设计配置。
相对于现代水平轴风力涡轮机，高实度的风车在低端速度下产生更大的扭矩，这意味着具有更高固体度的风机能够在更广泛的风速范围内运行，从而提高涡轮机的总体功率输出。
带护罩的多叶片风力发电机概念等距视图
本文研究的模型是上述专利风机设计的简化版本，由单个多叶片转子组成。
本文所做的工作分析了高实度转子对醒目流的影响，并研究了不同转速和不同风速下风力涡轮机的扭矩和功率输出。
为了评估后续转子的适当位置，对转子尾迹的速度分布进行了彻底的调查。
多转子多叶片风力发电机概念侧视图
物理模型和边界条件
在本研究中，使用SOILDWORKS CAD软件包建模了原专利多叶片转子的简化版本。
由于叶片均匀分布在转子周围40度的间隔内，因此选择了整个转子的九分之一进行研究，并通过应用周期边界条件，在必要时考虑了其余叶片的影响。
分析风力涡轮机的其他部件，包括轴承、塔和臂的影响超出了本研究的范围。
对于当前的设计，转子直径设置为3.5英尺，由18个相同长度为6.3英寸的帆组成。
下图展示了转子几何形状的几个视图，其中通过虚线表示了九分之一周期单元。
多叶片旋翼几何视图
多叶片旋翼几何视图
定义任何问题的域都会引入流动解决方案的误差，因为边界应自然位于物体的无限距离处，然而在实践中这种距离是有限的。
计算域的尺寸必须足够大，以合理预测湍流现象，压力和速度分布。
对于这项研究，域是一个旋转单元，自由流在距离转子1.5 L上游的地方进入流动域，在距离转子2 L下游的地方退出，其中L代表帆的长度。
整个域是一个直径为1.3 D的圆柱的九分之一，其中D为转子直径，计算流体域的几何形状在下图中说明。
计算域几何
在考虑转子顺时针旋转的情况下，模型设置中激活了框架运动，并将其旋转轴设置在流动方向上，以转子的负旋转速度旋转。
进口速度边界条件通过改变风速的大小用于域的上游面，下游表面边界条件设定为出口标准压力。
由于计算域的上下表面对流动解决方案没有影响，它们被调整为对称性边界。
由于侧面的交叉流是相互相通的，因此侧面使用周期性边界条件。
最后，帆面周围的表面被设置为无滑移边界，湍流强度和粘度比分别保持软件默认值为5%和10%，下图说明了计算流域的边界。
流体域的边界条件
首先，采用了一个与转子转速相同的旋转参考系。
其次，使用的是ANSYS Fluent套件中的网格软件，将流体域离散成约440,000个单元，其中结构化和非结构化网格区域分别用于加速求解过程。
计算区域被离散为结构化和非结构化区域
内部复杂几何形状的部分采用非结构化四面体单元进行覆盖，而计算域的外部部分则用结构化六面体单元铺设。
为了捕捉流动的完全湍流行为，沿叶片表面添加了数层生长率为1.2的棱柱形楔体，并且目标y +值大于30。
使用棱镜层捕捉完全湍流行为
通过使用楔体层，由于数值扩散的减少，得到了合理的收敛速率。
为了达到高整体网格质量，还采用了全局和局部网格技术，如边缘大小和体积大小，分别获取倾斜度和正交质量的平均网格度量为0.24和0.75。
最后，根据表1和表2中所列出的流体特性和应用数值方案进行了该模拟，并且所得到的结果是在网格独立性研究中表现出的网格数量下达到的稳态条件。
表1 应用流体属性
表2 应用数值方案
结果和讨论
在这项分析中，自由流入风沿着负Z方向平行于地面，进行了四种不同风速（5、10、15和25 MPH，相当于约2.2、4.5、6.7和11 m/s）下的流动可视化分析。
风力机的桨尖速比保持恒定为0.7，这在历史上是美国多叶片水平轴风力机可达到的最高功率系数。
每种情况的横截面扭矩被获得，并乘以9的因数以获得总转子扭矩，因为模拟是通过转子的1/9部分完成的。转子功率通过将扭矩值乘以转子的旋转速度来计算。
流体域采用六面体和四面体单元进行网格划分
为了更好地理解尾流区域的流动行为，创建了几个与旋转轴平行和垂直的位置的平面。
平行平面位于计算域的周期表面上，覆盖轴向距离3.5 L。
三个垂直平面分别位于转子面后0.4 L、0.75 L和1.25 L处，如图所示，并用于监测尾流流动的轴向速度。”
距离转子后面0.4 L、0.75 L和1.25 L的三个平面，垂直于旋转轴
在不同的风速下，转子后方的尾流的轴向流特性，在第一组进风速度中，用白色圆圈标出了轴向速度最高的区域。
根据以上图形，可以发现，对于所有情况，每个转子叶片后的外部区域的轴向流速度随着转子盘旋转呈现上升趋势，这是转子旋转的预期趋势。
随着流体在下游行进，轴向速度的增加趋势逐渐减缓，转子盘面阴影区轴向速度的降低是由于转子从自由流中提取的动力。
远离转子飞行高度的区域中的低速尾流也可以得到较快的恢复，下图展示了平行于旋转轴的平面中的流动行为，并支持之前的结论。
在尾流区域的刀片上方的深蓝色区域表明轴向速度加速，这决定了放置第二个转子的适当位置。
风速为25 MPH (=11 m/s)时，平行于旋转轴的平面内的轴向速度矢量
通过研究叶片表面的压力等值线，显示出面向风的表面具有比后面的表面更高的压力大小，这是预期的结果。
转子帆两侧压力的差别导致依据转子旋转方向的提升力，对叶片压力面的更详细观察显示出，在旋转方向的位置上，即朝向旋转方向的前缘相对于其余帆面拥有更高的压力。
但对于吸力面而言，正好相反，面向旋转方向的边缘是压力较低的区域。
在下图中，每个面上高压区域用椭圆形表示，随着风速增加，高压区域将移动到整个帆面上。
风速为5英里/小时(= 2.2米/秒)和15英里/小时(= 6.7米/秒)时船帆前表面(左)和后表面(右)的压力等值线图
如前所述，整个分析过程中，桨尖速比保持恒定为0.7，因此当来流风速增加时，旋转速度呈线性增长，这种行为如图所示。
转子转速与风速的关系
在使用流体求解器的Academic Teaching许可证的最大单元数限制下，进行了网格独立性分析，以研究所选网格元素数的流动解决方案的主要输出的稳定性。
结果表明，在单元数约为400,000时，分段扭矩的波动非常小。
不同转速下转子的截面转矩值
鉴于所评估的转子设计的新颖性，没有可用的实验数据与计算结果进行比较。
但下图中报告的功率系数的值显示出与根据桨尖速比的统计图表发表的多叶片美式水平轴风力涡轮机的功率系数相一致的结果。
作为风速函数的总功率系数
根据下图，在桨尖速比为0.7的情况下，可以预计多叶片美式水平轴风力涡轮机的功率系数约为0.13至0.14，该行为也很好地观察到了所关心的转子上。
叶尖速比(横轴)与转子功率系数(纵轴)的统计图
结论
高实度风车相较于现代水平轴风力发电机，更容易在低桨尖速度下产生扭矩，这意味着高实度的风机可以在更广泛的风速范围内运行，从而增加风力发电机的总发电量。
所评估的模型为最近专利的风机的简化版，包含一个多叶旋转桨，此评估分析了旋转桨周围的流体行为，并根据不同旋转速度和风速评估了风力发电机的扭矩和功率输出。
轴向速度趋势的旋转桨尾流也进行了全面研究，以便合理安置添加的旋转桨。
结果表明，在旋转桨下游的外部尾流区域，流体速度加速，因此在前一个旋转桨后方放置直径更大的多叶旋转桨可以利用加速的尾流，并且改善整个风机的功率输出。
对于特定的转速，实度的增加可以增加扭矩产生量，从而导致风力发电机的更高电力输出 。
但是，实度更高的值会造成不良的入风阻塞，并以负面影响的方式影响旋转桨的功率提取。因此，找到平衡高扭矩和流体阻塞的最佳实度程度是至关重要的。
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