PROGRAMMA PRIN 2022 - B安道 PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 二月 2022
项目标题： 适用于城市 环境的扩散增强型风力涡轮机（DWTURB）
CUP代码： D53D23003300006
预算： € 129.385
增值税号： Prof.ssa Stefania Cherubini
其他研究单位或可能的子单位： 那不勒斯费德里科二世大学
项目描述
DWTURB 项目旨在开发对扩压器增益风力机（DAWTs）的精确数值建模。这类风力机由安装在环形翼内的风轮组成。与具有相同迎风面积的开式风力机（OWT）相比，这类风力机的优势在于，由于导流罩与风轮之间形成了有益的协同作用，DAWT 能够吞入更多气流，从而从风中提取更多功率。这使得即使在较低的切入风速下也能实现可观的能量产出，并降低噪声。DAWT 的性能通常采用将风轮建模为致动盘（AD）的理论或数值方法进行分析，这种方法使模拟计算成本较低，但无法考虑有限数量叶片的存在，也无法考虑扩压器区域可能发生的边界层分离。
项目目标
本项目旨在开展雷诺平均纳维—斯托克斯模拟（RANS）和大涡模拟（LES），以确保对这类风力机进行准确建模并评估其性能。
预期结果
该活动超越了对既有 DAWT 构型的简单选取，预期将发展为一种结构化的空气动力学设计，克服文献中常见的经典解耦方法，即风轮与扩压器分别设计。从参考几何出发，预期将建立一套系统的、基于 CFD 的设计策略，以研究风轮与扩压器之间的耦合相互作用，并识别决定功率提取增强的关键几何与运行参数。
已取得的结果
随后开展了三维 RANS 模拟，以详细揭示流场、压力分布以及风轮—导流罩相互作用机制。特别关注数值框架的稳健性，并通过对另一种已有实验数据的风力机构型开展验证工作进一步加以支持。随后进行了大涡模拟，以比较所研究的导流风力机与传统开式风力机的空气动力学性能和流动特性。评估了部分负载最大功率点跟踪对性能的运行影响，以及扩压器几何变化，尤其是风轮下游发散段的几何变化，对尾流动力学和输出功率的影响。模拟结果表明，扩压器的引入能够增强风轮所吸入的气流，进而相较于开式构型提高发电功率。为开发此类复杂流动的动态准确降阶模型（ROM），随后将大涡模拟得到的流场作为模态分解的数据库。针对这些三维流场，应用了动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition），从而实现一种低成本的流动重构，能够以可接受的精度和较低的计算成本估计风力机的性能及其对环境的影响。另有工作致力于开发计算效率更高的建模工具，以保留风轮—扩压器相互作用的基本物理特征。所提出的框架在降阶计算环境中一致地整合了局部空气动力载荷与全局流动响应，保留了导致性能提升的关键相互作用机制。该方法使得开发一种具有物理基础且高效的 DAWT 性能分析预测工具成为可能，并与提供可靠设计与优化方法、同时显著降低计算成本的总体目标保持一致。
