对小尺度水平轴风力涡轮机部分跨度叶片效应的实验研究

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Experimental investigation of partial-span slot effects on small-scale horizontal-axis wind turbines

小型水平轴风力涡轮机叶片开槽机制对气动性能的影响研究。实验对比了基准模型和四种开槽配置的功率系数，发现全跨度开槽（M1）在400 rpm时最大Cp达0.46，较基准模型提升9.5%。表面油流可视化显示开槽有效延缓流动分离，扩大附着区至叶尖。研究证实开槽机制可有效增强低风速下分布式风电系统的能量捕获效率。

　　
本文针对小型水平轴风力涡轮机（ss-HAWT）叶片开槽结构对功率性能的影响展开系统性研究。研究团队通过实验与流动可视化技术，对比分析了基准模型（B1）与四种开槽变体（M1-M4）在300rpm和400rpm工况下的气动性能，揭示了开槽机制对能量捕获效率的优化作用。

在叶片设计方面，研究采用Clark-Y翼型作为基础模板，通过Schmitz方程优化叶片扭转角与展弦比分布。值得关注的是，所有实验模型均采用生物降解材料PLA经3D打印成型，确保结构稳定性与表面光洁度（Ra≤1.108μm）。开槽设计创新性地引入三个关键几何参数：入口压力侧半径（r_p）、出口吸力侧半径（r_t）和Coanda半径（r_c），形成具有梯度特性的开槽结构。这种三维参数化设计突破了传统二维开槽研究的局限，为HAWT提供了新的优化方向。

实验平台采用开放式吹风型风洞，配备高精度转矩传感器（量程0-5Nm）和数字差压计，可测量1-11m/s范围内的来流速度。研究特别设计了双转速工况（300rpm和400rpm），通过动态调节风洞风速实现叶尖速比（TSR）从2.6到6.6的连续覆盖测试。这种多工况验证体系有效排除了单一转速带来的性能偏差，确保结果的普适性。

功率系数（Cp）测试结果显示，全开槽模型M1在两个转速下均表现最佳。在300rpm时，M1的峰值Cp达到0.481，较基准模型提升9.5%；当转速提升至400rpm时，M1在λ=3.9时达到0.46的峰值，较B1提升9.5%。值得注意的是，在较高TSR（λ>5.6）区域，部分开槽模型（如M4）反而表现出优于基准模型的表现，这可能与开槽位置与离心力场分布的耦合效应有关。

表面油流可视化（SOFV）揭示了开槽结构对边界层控制的显著影响。在λ=3.9工况下，M1的吸力面附着区较基准模型扩大47%，压力面分离区减少32%。特别是全开槽设计（M1）在叶尖区域形成了稳定的二次流动，将分离点后移了约15%的弦长位置。这种延滞流动分离的效果在高速工况下更为显著，当TSR超过4.5时，M1的附着区面积较B1扩大了60%以上。

研究还创新性地引入了开槽半径的协同优化机制。通过调整r_p、r_t和r_c的比值（4r_c=2r_t=r_p），实现了不同展向位置的开槽结构参数化设计。这种三维参数空间的设计方法突破了传统开槽研究的平面化局限，在叶根区域（r/R=0.225）至叶尖（r/R=1.0）的整个展向范围建立了开槽-流动耦合的优化模型。

对比分析显示，部分开槽模型（如M3）在叶尖区域（S1-S2）的开槽设计反而导致Cp下降15%，这表明开槽位置的优化选择至关重要。研究团队通过建立开槽长度与叶尖速比的关系模型（W_p/W_s=4），确定了最优开槽宽度与叶型弦长的比例，使得开槽结构既能有效控制分离，又不会因结构强度不足影响整体性能。

在实验验证方面，研究采用重复测量（每组实验至少两次）和误差分析（总不确定度4.24%）确保数据可靠性。特别值得注意的是，在400rpm工况下，B1模型在TSR>4.5区域表现出优于其他开槽模型的表现，这可能与高转速下叶片的固有气动特性相关，为未来多模态叶片设计提供了重要参考。

研究结论表明，全开槽设计（M1）通过多尺度流动调控实现了显著的性能提升：在叶尖区域形成的高动量二次流有效抑制了分离涡的发展；在叶根区域（S4-S5）的辅助开槽设计弥补了离心力场导致的分离区扩大。这种梯度开槽结构使M1在300rpm工况下全量程TSR覆盖范围比B1扩展了18%，在400rpm时最大Cp提升达9.5%。

未来研究方向聚焦于三维流动场模拟与多目标优化设计。计划采用RANS-CFD方法建立叶尖涡、分离区与开槽结构的耦合模型，结合NSGA-II多目标优化算法，在保持结构强度的前提下，实现气动性能与成本控制的平衡优化。特别值得关注的是，研究团队提出将开槽参数（角度60°、进口位置10%弦长、半径梯度系数4）纳入叶型优化流程，这标志着被动流动控制技术从经验设计向数据驱动设计的转变。

该研究为分布式风电系统的叶片设计提供了重要理论支撑。在叶尖速比3-5.5的关键范围内，全开槽设计使Cp曲线平缓度提升23%，这意味着在风速波动环境下，系统能够保持更稳定的输出功率。研究结果已应用于土耳其卡塔曼丘技术大学的风电实验室，成功验证了开槽结构在低湍流强度（<5%）下的适用性，为实际工程应用奠定了实验基础。

值得注意的是，研究团队在文献综述中特别指出当前开槽研究的三大局限：1）多数研究聚焦静态气动力分析，缺乏动态工况验证；2）开槽几何参数优化多采用单目标函数，未考虑多物理场耦合；3）现有开槽模型未能有效解决高TSR下的流动失速问题。本文通过建立动态实验数据库（包含200+组不同TSR下的流场参数），为突破这些局限提供了新的研究路径。

在工程应用方面，研究提出模块化开槽设计理念。通过将开槽区域划分为S1（叶尖1/3）、S2（中段）、S3（叶根）三个功能区域，实现了性能与成本的平衡优化。测试数据显示，在叶尖区域（S1）采用全开槽设计，而在叶根区域（S4-S5）采用半开槽设计，可使结构强度提升18%的同时保持Cp不下降。这种分区优化策略为大规模HAWT叶片设计提供了可扩展的解决方案。

总之，本研究通过创新性的开槽参数化设计、多工况实验验证和三维流动场分析，揭示了被动流动控制技术在ss-HAWT中的优化潜力。研究不仅验证了全开槽结构在叶尖区域的卓越性能，还通过分区域优化策略解决了工程应用中的关键矛盾，为分布式风电系统的小型化、高效率叶片设计提供了重要的理论指导和工程实践参考。