通过在振荡水柱系统中使用先进的外部结构来提升井式涡轮机的性能

《Renewable Energy》：Enhancing the Performance of Wells Turbines with Leading-Edge External Bodies in Oscillating Water Column Systems

波浪能转换中Wells涡轮机通过椭圆前缘外部身体（LEEB）优化研究，采用CFD模拟分析不同尺寸和位置LEEB对扭矩系数提升38%和运行范围扩展22.2%的影响，证实其可有效延迟流动分离并增强能量转换效率。

　　在海洋能源领域，波浪能作为一种重要的可再生能源形式，其开发与利用具有广阔的前景。然而，当前波浪能技术在实际应用中仍面临诸多挑战，其中，波浪能转换系统中的涡轮机性能限制尤为突出。特别是，传统的Wells涡轮机在振荡水柱（Oscillating Water Column, OWC）系统中表现出较低的扭矩生成能力和有限的运行范围，从而影响了其在波浪能转换中的效率。为了解决这些问题，近年来的研究逐渐转向通过优化涡轮机设计，尤其是引入外部流动控制装置，以提升其整体性能。

本研究旨在探讨一种新型的椭圆形Leading-Edge External Body（LEEB）对Wells涡轮机气动性能的影响，特别是其对扭矩系数和运行范围的提升作用。与以往主要关注叶片形状优化的研究不同，本研究系统地评估了LEEB的几何参数变化，包括其距离叶片前缘的水平距离（EH）、直径（ED）以及宽度（EW），以分析其对涡轮机气动行为的潜在影响。研究采用SolidWorks进行几何建模，并利用ANSYS-CFX进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，以确保结果的准确性与可靠性。

LEEB作为一种被动流动控制装置，其作用在于通过改变气流路径，减少流动分离现象，从而提高能量传递效率。在流体动力学领域，椭圆形结构因其较低的阻力和更好的流动稳定性而受到关注。例如，一些研究表明，在亚临界雷诺数条件下，椭圆形柱体能够有效减少阻力系数，并延缓流动分离。此外，在低雷诺数条件下，椭圆形柱体的尾流结构也表现出更好的对称性和较低的涡旋脱落现象。这些特性使得椭圆形LEEB在波浪能转换系统中具备显著的优化潜力。

本研究中，通过调整LEEB的几何参数，发现最佳的椭圆形LEEB配置为：宽度为0.04C，直径为0.016C，距离叶片前缘为0.08C。该配置在实验测试中显示出比基准模型更高的峰值扭矩系数，提升了38%，同时运行范围也扩展了22.2%。这一结果表明，椭圆形LEEB在提升Wells涡轮机性能方面具有显著优势。具体而言，其能够有效延缓流动分离，增强能量转换效率，并扩展涡轮机的运行范围。这些发现不仅验证了LEEB在流体动力学优化中的有效性，也为波浪能转换技术的进一步发展提供了新的思路。

在波浪能转换系统中，Wells涡轮机因其对称的NACA 00XX叶片设计，能够在双向气流中保持单向旋转，从而实现连续发电。然而，其在实际应用中仍存在一些问题，例如在低速气流条件下，涡轮机容易出现失速现象，导致效率下降。此外，由于气流速度和方向的变化，涡轮机的运行范围受到限制，影响了其在不同波浪条件下的适应性。因此，如何通过优化涡轮机设计，提高其在不同气流条件下的适应性和稳定性，成为当前研究的重点。

近年来，研究人员通过多种方式对Wells涡轮机进行了优化，包括改进叶片形状、引入外部流动控制装置等。例如，Halder和Samad提出了一种新型的叶片形状，结合了两种现有的叶片设计，从而提高了扭矩和功率输出。Mohamed等人则通过调整叶片形状，实现了11.3%的功率提升和1%的效率提高。Miguel González等人则引入了可变叶片形状，使其在某些条件下能够达到更高的效率。此外，一些研究还探索了叶片末端处理和柔性叶片等设计，以改善涡轮机的稳定性。

在这些研究的基础上，LEEB作为一种新型的外部流动控制装置，其应用仍处于初步阶段。然而，已有研究表明，LEEB在提升涡轮机性能方面具有良好的前景。例如，Geng等人通过引入一种停机柱（stall cylinder），提高了扭矩输出26.57%，并扩展了运行范围19.15%。Sadees等人则研究了一种D形柱体，将其放置在距离叶片前缘1.5C的位置，实现了21.1%的扭矩提升，并将失速条件从?=0.225推后到?=0.25。另一项研究则发现，将直径为0.02C的微柱体放置在距离叶片前缘0.035C的位置，能够提升平均扭矩49%，并扩展运行范围22%。这些研究结果表明，LEEB在提升Wells涡轮机性能方面具有显著的潜力。

本研究的创新点在于首次系统地评估椭圆形LEEB对Wells涡轮机气动性能的影响。与以往主要关注圆柱形LEEB或叶片形状优化的研究不同，本研究引入了椭圆形LEEB，并通过调整其几何参数，评估其对涡轮机性能的优化效果。此外，本研究采用了一种经过网格独立性测试的CFD模型，以确保模拟结果的可靠性。通过改变LEEB的尺寸和位置，研究发现其能够显著提高涡轮机的扭矩输出，并扩展其运行范围。

在实验过程中，研究首先通过SolidWorks建立了Wells涡轮机的几何模型，并基于之前的研究成果进行了调整。随后，利用ANSYS-CFX进行CFD模拟，以分析不同LEEB配置下的气动性能变化。为了确保模拟结果的准确性，研究还进行了网格独立性测试，通过计算网格收敛指数（Grid Convergence Index, GCI）来评估不同网格密度对结果的影响。这一测试不仅验证了模型的可靠性，也为后续的参数优化提供了基础。

在分析结果时，研究发现，椭圆形LEEB的引入能够有效改善气流路径，减少流动分离现象，从而提高能量转换效率。此外，通过调整LEEB的几何参数，研究还发现其能够显著提升涡轮机的运行范围。这些发现表明，LEEB在提升Wells涡轮机性能方面具有重要的应用价值。在实际应用中，这一优化技术有望提高波浪能转换系统的效率，并增强其在不同波浪条件下的适应性。

综上所述，本研究通过系统地评估椭圆形LEEB对Wells涡轮机性能的影响，发现其在提升扭矩系数和扩展运行范围方面具有显著优势。这些发现不仅为波浪能转换技术的优化提供了新的思路，也为未来在OWC系统中的应用奠定了基础。随着全球对可再生能源的需求不断增加，波浪能作为一种清洁、可持续的能源形式，其技术的不断进步对于实现能源结构的多元化和低碳化具有重要意义。因此，对Wells涡轮机的进一步优化，将有助于推动波浪能技术的发展，提高其在实际应用中的可行性。