鄭小波，王紅亮，徐文浩，郜志騰，3，冷 峻，李 曄，*

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 多功能拖曳水池實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

風(fēng)能是可再生能源的重要組成部分，對節(jié)能減排具有重要意義，因此風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)快速發(fā)展[1]。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電的風(fēng)能資源豐富，能量密度高，而且對環(huán)境影響較小，因此受到越來越多的關(guān)注[2]。我國海上風(fēng)能資源開發(fā)潛力巨大，高效環(huán)保地推進(jìn)我國海上風(fēng)電的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要舉措[3]。

為了捕獲更多風(fēng)能資源，海上風(fēng)力機(jī)葉輪直徑已經(jīng)突破200 m，大型化已經(jīng)成為海上風(fēng)力機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢[4]。雖然經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，三葉片逆風(fēng)水平軸風(fēng)力機(jī)（horizontal-axis wind turbine,HAWT）已經(jīng)成為陸上多兆瓦風(fēng)力發(fā)電的最普遍范式，但卻不適用于海上風(fēng)電的開發(fā)利用[5]。大型HAWT 重約400 噸的機(jī)艙布置在約100 m 的海拔高度，會使處于波浪、洋流和強(qiáng)風(fēng)復(fù)雜環(huán)境中的浮式HAWT 產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定性，大大增加了安裝和維護(hù)成本[6]。相比而言，浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)（vertical-axis wind turbine,VAWT，本文專指升力型Darrieus 風(fēng)力機(jī)）避免了這一結(jié)構(gòu)問題，將發(fā)電機(jī)、齒輪箱和制動器等傳動系統(tǒng)布置在風(fēng)力機(jī)塔筒根部，提升了風(fēng)力機(jī)壽命時(shí)長。此外，VAWT 還具有結(jié)構(gòu)簡單、對風(fēng)向不敏感、適應(yīng)湍流和陣風(fēng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[7]，可以降低風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和建造成本，并提升工作時(shí)長。

遼闊的海面允許布置更大范圍的風(fēng)電場，但是為了提高風(fēng)能密度（即單位面積的風(fēng)能輸出），如何布置多臺風(fēng)力機(jī)吸引了眾多研究者。S?rensen[8]指出，HAWT 風(fēng)電場要求風(fēng)力機(jī)流向間距為5～10 倍的葉輪直徑，因?yàn)樵谘亓飨虻木o湊分布中，各臺HAWT 的功率系數(shù)（機(jī)械功率輸出與通過葉輪橫截面積的自由流功率之比）會隨著間距減小而劇烈下降[9]。但Rajagopalan 等[10]也發(fā)現(xiàn)，在緊湊的VAWT 風(fēng)電場中，各臺風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)降低有限，甚至?xí)兴嵘es[11]提出了浮式風(fēng)墻的概念，通過增大掃掠面積，在有限的海域提升了風(fēng)能發(fā)電能力，在降低安裝維護(hù)成本的同時(shí)獲得高輸出風(fēng)能密度。但在這種風(fēng)墻概念中，陣列單元僅采用了小型HAWT。此外，Thomas[12]發(fā)現(xiàn)一對反向旋轉(zhuǎn)的VAWT 之間的氣動干涉作用，能夠提升各臺VAWT 的功率系數(shù)。Whittlesey 等[13]發(fā)現(xiàn)，基于魚群尾流反卡門渦街空間特征布置的VAWT 風(fēng)電場，輸出風(fēng)能密度比HAWT風(fēng)電場提升了一個(gè)量級。

綜上所述，在海上風(fēng)能的開發(fā)利用中，VAWT 比HAWT 更具優(yōu)勢。但是，相比單臺HAWT 的功率系數(shù)，單臺VAWT 的功率系數(shù)較低[14]。雖然已經(jīng)有大量針對單臺VAWT 和VAWT 風(fēng)電場的研究[15]，但是提升輸出功率和風(fēng)能密度的最優(yōu)方法還沒有達(dá)成共識[7]，還有必要從葉片、單臺風(fēng)力機(jī)和風(fēng)電場等多個(gè)尺度研究VAWT 對流動的氣動響應(yīng)機(jī)理。

本文針對直葉片VAWT，首先從葉片尺度出發(fā)，采用正弦俯仰振動對VAWT 轉(zhuǎn)動葉片的攻角變化進(jìn)行了比擬。通過對正弦俯仰振動葉片受力進(jìn)行直接測量和對周圍流場進(jìn)行鎖相粒子圖像測速（particle image velocimetry,PIV），揭示了不同VAWT 操作參數(shù)下，葉片受力在不同渦脫落模式的動態(tài)響應(yīng)。然后基于葉片尺度的比擬結(jié)果，從風(fēng)電場陣列尺度出發(fā)，提出了一種采用雙葉片VAWT 作為陣列單元的風(fēng)墻構(gòu)型，并簡述了其主要優(yōu)點(diǎn)。

1 VAWT 葉片攻角變化比擬

1.1 VAWT 葉片攻角變化特征

直葉片VAWT 由若干矩形截面葉片和豎直轉(zhuǎn)動軸構(gòu)成。圖1 為一個(gè)VAWT 葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周軌跡的俯視圖，葉片方位角為θ，角速度為 ω，葉輪半徑為R，葉片弦長c垂直于徑向。自由來流從左至右，絕對速度為VA。葉片的尖速比定義為：

圖1 不同方位角VAWT 葉片速度矢量和受力矢量Fig.1 Velocity and force vectors of the VAWT foil at different azimuth

自由來流相對葉片的速度為：

其中 ω×R為葉片轉(zhuǎn)動的線速度。葉片所受的升力FL垂直于VR指向吸力側(cè)，阻力FD沿著VR方向。

葉片攻角α為葉片弦長方向（從前緣至尾緣，與ω×R反方向）和自由來流相對速度VR的夾角。由于葉片的弦長方向和線速度都隨方位角變化，所以葉片攻角α可以表達(dá)為方位角 θ的函數(shù)：

圖2 展示了VAWT 葉片攻角隨葉尖速比和方位角變化的曲線。如圖2（a）所示，轉(zhuǎn)動葉片攻角幅值可以寫成葉尖速比的函數(shù)：

圖2 攻角隨尖速比和方位角的變化Fig.2 Variation of angle of attack with tip-speed ratio and azimuth

當(dāng)λ=2時(shí)，葉片攻角幅值αm約為30°。隨著 λ增大，αm逐漸減小。當(dāng) λ=10時(shí)，葉片攻角幅值αm減小至約6°。使用攻角幅值αm對葉片攻角進(jìn)行無量綱化，可以看到隨著 λ 增大，α/αm曲線逐漸趨近于正弦曲線：

1.2 正弦俯仰振動比擬

在VAWT 正常工作的尖速比范圍內(nèi)，隨著尖速比增大，α/αm～ θ曲線與正弦曲線公式（7）的差別越來越小。因此，可以使用均勻來流中攻角0°附近正弦俯仰振動的葉片運(yùn)動：

進(jìn)行比擬。該比擬基于攻角變化的一致性，忽略了VAWT 中的離心力效應(yīng)。如圖3 所示，葉片選用NACA0012 翼型截面，圍繞c/4轉(zhuǎn)軸振動，?為葉片振動相位角，其與VAWT 方位角 θ的關(guān)系為：

圖3 正弦俯仰振動葉片F(xiàn)ig.3 Sinusoidally pitching foil

在進(jìn)行比擬的葉片振動和VAWT 葉片轉(zhuǎn)動兩種流動中，自由來流速度、葉片攻角、攻角幅值、葉片弦長、升力和阻力的定義相同。此外，定義葉片振動的縮減頻率k=πfc/VA，其中f為葉片振動頻率。VAWT 方位角速度 ω與葉片振動頻率f的關(guān)系為：

VAWT 葉尖速比 λ與振動葉片縮減頻率k的關(guān)系為：

如果知道VAWT 中葉輪半徑與葉片弦長之比R/c的值，則可以知道葉尖速比 λ與振動葉片縮減頻率k的比例關(guān)系。

2 比擬實(shí)驗(yàn)

為了獲知由葉片攻角變化引起的VAWT 葉片在不同渦脫落模式的動力響應(yīng)，進(jìn)行了正弦俯仰振動葉片的比擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)大尺度循環(huán)水槽中進(jìn)行，自由來流名義湍流度不大于2%。剛性葉片采用NACA0012 翼型截面，且葉片形狀沿展向均勻分布，弦長c=0.2 m，展長S=0.8 m，完全浸沒水中，見圖4（a）。葉片進(jìn)行正弦俯仰振動α(t)=αmsin(2πft)，振動幅值αm和頻率f可獨(dú)立調(diào)節(jié)。葉片、測量傳感器和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的布置如圖4（b）所示。實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系原點(diǎn)位于攻角0°葉片尾緣，x軸正向指向下游流向，y軸沿著橫向，z軸正向沿葉片展向向上。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.4 Experimental setup

本實(shí)驗(yàn)使用測力天平測量葉片所受的動態(tài)升力和阻力，使用靜態(tài)扭矩傳感器獨(dú)立測量葉片轉(zhuǎn)矩。測量得到整個(gè)葉片的升力FL、阻力FD和轉(zhuǎn)矩M之后，使用來流動壓/2、弦長c和展長S計(jì)算得到對應(yīng)的無量綱系數(shù)：

其中 ρ為密度。PIV 測量使用Nd-YAG 脈沖激光器，以直徑55 μm 的空心玻璃球?yàn)槭聚櫫Ｗ?，使用兩個(gè)沿流向并排布置的CCD 相機(jī)，搭配Nikon AF NIKKOR鏡頭。PIV 圖像的采集和分析，使用LaVision 公司的DaVis 軟件包實(shí)現(xiàn)。使用伺服電機(jī)控制器的位置比較信號，實(shí)現(xiàn)鎖相PIV 測量。不確定度分析等更多測力和PIV 測量細(xì)節(jié)請參考Zheng 等[16]的研究。

實(shí)驗(yàn)在VA=0.25、0.5、0.8、1.2 m/s 的自由流速下進(jìn)行，振動攻角幅值設(shè)置為αm=6°、8°、12°、14°、16°、24°、34°，振動頻率設(shè)為f=0.25、0.5、1.0 Hz，弦長雷諾數(shù)為Re=5.9×104、1 .2×105、1 .9×105、2.4×105。通過考察攻角0°靜態(tài)葉片阻力系數(shù)，可以確定葉片表面邊界層在本實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)已經(jīng)轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)?？s減頻率范圍為 0.16 ≤k≤2.51，對應(yīng)R/c=2的VAWT 葉尖速比范圍為 0.64 ≤λ ≤10.04。此外，還定義了基于葉片振動幅值的Strouhal 數(shù)：

其中A為葉片尾緣總行程。St是由k和αm合成的單一變量，用以刻畫尾流渦型[17]，其范圍為0.010 ≤St≤0.488 。圖4（c）在k～αm相平面內(nèi)標(biāo)出了上述測點(diǎn)和作為參考的St等值線云圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 渦脫落模式

對不同縮減頻率k和攻角幅值αm的鎖相PIV 渦量場進(jìn)行相位平均，并使用自由來流速度VA和葉片弦長c進(jìn)行無量綱化，可以識別尾流渦型結(jié)構(gòu)，從而揭示不同渦脫落模式。在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)空間識別到了3 種渦型結(jié)構(gòu)：前緣離散渦（leading-edge vortex,LEV）、蜿蜒尾流（undulating wake,UW）和反卡門渦街（reverse von Kármán vortex street,RvKVS），對應(yīng)的無量綱相位平均渦量場 〈ω〉c/VA如圖5 所示。UW 渦型和RvKVS 渦型自葉片尾緣產(chǎn)生并脫落，而LEV 渦型從葉片前緣附近產(chǎn)生并在輸運(yùn)到尾緣之前從葉片表面脫落。在UW 渦型和RvKVS 渦型中，葉片表面邊界層的渦層在葉片振動過程中一直附著在葉片表面。不同于LEV 渦型和RvKVS 渦型，UW 渦型沒有離散渦，主要流動結(jié)構(gòu)是具有一定曲率的渦層。兩種離散渦渦型中，LEV 渦型負(fù)渦量離散渦位于橫向中線以上而正渦量離散渦位于橫向中線以下；RvKVS渦型中正負(fù)渦量的離散渦位置與之相反。

圖5 尾流不同渦型的無量綱相位平均渦量場〈ω〉c/VAFig.5 Normalized phase-averaged vorticity fields 〈 ω〉c/VA of different vortex patterns in the wake

圖6 展示了無量綱尾流特征頻率fw/f隨幅值Strouhal數(shù)變化的規(guī)律。尾流特征頻率fw的定義請參考Zheng 等[16]的研究。UW 渦型（圓形符號）和RvKVS 渦型（方形符號）的尾流特征頻率fw表現(xiàn)出兩種相反的趨勢：UW 渦型的fw從 2f單調(diào)遞減至f；RvKVS 渦型的fw在f的鄰域內(nèi)緩慢增大，意味著RvKVS 渦型的特征頻率近似鎖定在葉片的俯仰振動頻率。當(dāng)雷諾數(shù)確定，幅值Strouhal 數(shù)可以作為一個(gè)區(qū)分UW 渦型和RvKVS 渦型的單值參數(shù)：當(dāng)Re=5.9×104（深色），尾流從UW 渦型轉(zhuǎn)變?yōu)镽vKVS 渦型的臨界St在 0.122＜St＜0.167范圍內(nèi)；當(dāng)Re=1.2×105（淺色），尾流從UW 渦型轉(zhuǎn)變?yōu)镽vKVS 渦型的臨界St在 0.041＜St＜0.084范圍內(nèi)；當(dāng)Re=1 320、2 640，Schnipper 等[17]在肥皂膜流動顯示實(shí)驗(yàn)中，得到尾流轉(zhuǎn)變?yōu)镽vKVS 渦型的臨界St為0.18。本實(shí)驗(yàn)較高Re結(jié)果與Schnipper 等較低Re結(jié)果的趨勢一致，臨界St隨Re增大而減小。此外，在Re=1.2×105的UW-RvKVS 渦型轉(zhuǎn)變區(qū)域上界（淺色條帶區(qū)域右邊界），存在相同St的LEV 渦型參數(shù)點(diǎn)（淺色五角星符號）和RvKVS 渦型參數(shù)點(diǎn)（淺色方形符號），意味著單獨(dú)使用St不足以區(qū)分LEV 渦型。

圖6 無量綱尾流特征頻率隨Strouhal 數(shù)的變化Fig.6 Variation of nondimensional characteristic frequency in the wake withSt

圖7 展示了不同雷諾數(shù)下，LEV（五角星符號）、UW（圓形符號）和RvKVS（方形符號）3 種渦型在k～αm平面內(nèi)的參數(shù)點(diǎn)分布，符號顏色隨Re增大而變淺。LEV 渦型控制低k大αm區(qū)域，UW 渦型控制低k小αm區(qū)域，RvKVS 渦型控制高k區(qū)域。由式（5）、式（6）和式（11）可推導(dǎo)出符合VAWT 葉片轉(zhuǎn)動特點(diǎn)的縮減頻率和攻角幅值的關(guān)系曲線。圖7 的紅色實(shí)線、劃線和點(diǎn)線分別為VAWT 葉輪半徑與葉片弦長之比R/c=2、3、4 的k～αm關(guān)系曲線。3 條曲線縮減頻率范圍均對應(yīng)VAWT 葉尖速比范圍 2 ≤λ ≤10，且均通過3 種渦型控制的參數(shù)區(qū)域，表明在常規(guī)操作參數(shù)下，3 種渦脫落模式均可能出現(xiàn)在VAWT 轉(zhuǎn)動葉片附近。圖7 的藍(lán)色實(shí)線、劃線和點(diǎn)線分別為VAWT葉尖速比 λ=2、4、6的k～αm關(guān)系曲線。在VAWT 葉片數(shù)量N一定的情況下，依據(jù)符合轉(zhuǎn)動葉片運(yùn)動特征的k～αm曲線分布情況，可以知道：R/c越?。t色實(shí)線），葉輪實(shí)度Nc/2R越大，在低 λ操作條件下產(chǎn)生LEV 渦型的可能性較小，在高 λ操作條件下產(chǎn)生RvKVS 渦型的可能性較大；R/c越大（紅色點(diǎn)線），葉輪實(shí)度越小，在低 λ操作條件下產(chǎn)生LEV 渦型的可能性較大，在高 λ操作條件下產(chǎn)生RvKVS 渦型可能性較小。

圖7 三種尾流渦型在k～ αm平面的控制區(qū)域Fig.7 Parameter regions dominated by three wake patterns on k ～ αm plane

3.2 動力相位響應(yīng)

時(shí)變受力系數(shù)反映了葉片受力響應(yīng)的動態(tài)特征，可以分解為兩個(gè)分量：由葉片振動引起的確定性分量和由小尺度湍流引起的非確定性分量。為研究葉片受力對葉片運(yùn)動相位的響應(yīng)，對時(shí)變系數(shù)進(jìn)行了相位平均。

圖8 展現(xiàn)了不同縮減頻率k和攻角幅值αm下，脈動升力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的相位平均曲線為更好地比較，使用αm對系數(shù)進(jìn)行無量綱化，使用葉片振動周期T對時(shí)間變量進(jìn)行無量綱化。攻角幅值αm=6°、8°、12°、16°、24°的結(jié)果分別對應(yīng)淺色實(shí)線、深色實(shí)線、黑色實(shí)線、黑色劃線和黑色點(diǎn)線。從相位響應(yīng)曲線可以看到k和αm對受力相位響應(yīng)的影響：的幅值隨k的增大而增大；在低縮減頻率k=0.31時(shí)，受力響應(yīng)曲線為正弦曲線，并隨著k的增大逐漸偏離正弦曲線，其本質(zhì)是葉片運(yùn)動和受力響應(yīng)的解耦[18]。

圖8 相位平均脈動升力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.8 Phase-averaged fluctuating lift and moment coefficients

4 基于小型VAWT 單元的緊湊型風(fēng)墻

相比UW 渦型和LEV 渦型，RvKVS 渦型對VAWT 葉輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和輸出功率的提升有利，這點(diǎn)除了從不同渦脫落模式的受力相位響應(yīng)角度（見第3 節(jié)）可以知道，從振動葉片平均受力角度也可以知道。由于俯仰振動葉片截面和運(yùn)動的對稱性，平均升力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)近似為0。圖9 展示了平均阻力系數(shù)隨縮減頻率k的變化，其趨勢與基于線性無粘理論的Garrick 模型[20]和Fernandez 模型[21]相符。值得注意的是，當(dāng)k=2.51、αm≥12?（St=1.5ksinαm/π ≥0.25）時(shí)，出現(xiàn)了<0 的情況。隨著St的增大，振動葉片的渦脫落模式會從UW 渦型轉(zhuǎn)變?yōu)镽vKVS 渦型，葉片所受平均阻力降低，直到黏性阻力CD0被克服，葉片開始受到推力；當(dāng)St進(jìn)一步增大，推力也會增大[16]。對于升力型VAWT，除了葉片升力對葉輪轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)，RvKVS 渦型條件下葉片平均推力的產(chǎn)生也會增大葉輪轉(zhuǎn)矩，從而提升VAWT 性能。

圖9 平均阻力系數(shù)隨縮減頻率的變化Fig.9 Variation of mean drag coefficient with reduced frequency

結(jié)合上述討論和圖7 不同渦脫落模式的參數(shù)分布可知，在構(gòu)型確定（R/c確定）的VAWT 中，隨著尖速比 λ增大，尾流渦型向RvKVS 渦型轉(zhuǎn)變，旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生動態(tài)失速的可能性降低；同時(shí)葉片所受阻力會轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，對葉輪轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生正向貢獻(xiàn)，利于提升VAWT功率。而欲使VAWT 旋轉(zhuǎn)葉片在盡量寬的葉尖速比λ范圍產(chǎn)生RvKVS 渦型，要求較小的葉輪葉片幾何尺度比R/c。

本文采用Nes[11]的浮式風(fēng)墻概念，但將其中的HAWT 陣列單元替換成小型VAWT 單元，提出了一種基于小型VAWT 單元的緊湊型風(fēng)墻構(gòu)型，如圖10所示。該構(gòu)型在繼承Nes 浮式風(fēng)墻構(gòu)型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還有以下特點(diǎn)：

圖10 基于小型VAWT 單元的浮式風(fēng)墻Fig.10 Floating wind-catching wall based on small-scale VAWT units

1）因?yàn)榫o湊布置的各VAWT 功率系數(shù)下降有限甚至?xí)兴仙齕10]，基于VAWT 的浮式風(fēng)墻方便實(shí)現(xiàn)更加緊湊的布置，能夠進(jìn)一步增大掃風(fēng)面積，從而實(shí)現(xiàn)較Nes 浮式風(fēng)墻更大的功率系數(shù)和輸出密度。

2）因?yàn)橐粚Ψ聪蛐D(zhuǎn)的VAWT 能夠提升平均功率系數(shù)[12]，所以緊湊型浮式風(fēng)墻相鄰VAWT 單元設(shè)置為反向旋轉(zhuǎn)。相鄰單元的反向旋轉(zhuǎn)設(shè)置也能夠進(jìn)一步提升風(fēng)墻結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

3）相同材質(zhì)的葉輪轉(zhuǎn)動慣量是長度尺度的5 次冪量級，而在相同來流條件下所受到的轉(zhuǎn)矩是長度尺度的3 次冪量級，所以自啟動能力是長度尺度的?2 次冪量級。小型VAWT 葉輪轉(zhuǎn)動慣量較小，在相同來流條件下，具有更好的自啟動能力。

4）VAWT 旋轉(zhuǎn)葉片RvKVS 渦型尾流對應(yīng)較小的葉輪葉片幾何尺度比R/c。在緊湊型風(fēng)墻葉輪實(shí)度Nc/2R有限的條件下，要求降低葉片數(shù)量N。為兼顧風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的平衡性，緊湊型VAWT 浮式風(fēng)墻的風(fēng)輪采用兩片直葉片。

5 結(jié)論

基于攻角變化的相似性，本文通過正弦俯仰振動葉片的水動力實(shí)驗(yàn)，比擬研究了VAWT 旋轉(zhuǎn)葉片受力在不同尾流渦脫落模式的動態(tài)響應(yīng)，并提出了一種基于小型VAWT 的緊湊型風(fēng)墻構(gòu)型。主要結(jié)論如下：

1）在Re～O(105)范圍內(nèi)，正弦俯仰振動葉片尾流存在3 種渦型結(jié)構(gòu)：LEV、UW 和RvKVS，分別控制k～αm平面內(nèi)低k大αm區(qū)域、低k小αm區(qū)域和高k區(qū)域。升力和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)幅值會隨k增大。LEV 渦型導(dǎo)致的輕失速會在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)中產(chǎn)生高頻脈動。RvKVS 渦型的離散渦核從葉片尾緣脫落，造成升力和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在峰谷值附近發(fā)生與αm有關(guān)的偏離。此外，在尾流轉(zhuǎn)變?yōu)镽vKVS 渦型后，隨著St進(jìn)一步增大，葉片平均流向力從阻力轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏Α?/p>

2）隨著 λ增大，VAWT 葉片的k增大，而αm減小。在常規(guī) λ條件下，3 種渦脫落模式均可能出現(xiàn)在VAWT 轉(zhuǎn)動葉片附近。較小的葉輪葉片幾何尺度比R/c，在低 λ操作條件下產(chǎn)生LEV 渦型的可能性較小，在高 λ操作條件下產(chǎn)生RvKVS 渦型的可能性較大；較大的R/c，在低 λ操作條件下產(chǎn)生LEV 渦型的可能性較大，在高 λ操作條件下產(chǎn)生RvKVS 渦型的可能性較小。LEV 渦型導(dǎo)致的輕動態(tài)失速，會造成VAWT葉片發(fā)生高頻俯仰振動，但對葉輪轉(zhuǎn)矩和VAWT 功率影響不大。RvKVS 渦型的出現(xiàn)，伴隨VAWT 葉片升力和轉(zhuǎn)矩幅值增大以及平均推力的產(chǎn)生，會使葉片扭矩載荷增大，但同時(shí)會使葉輪轉(zhuǎn)矩和輸出功率提升。

3）通過研究VAWT 葉片在不同渦脫落模式下的氣動響應(yīng)，提出了一種基于VAWT 的新式風(fēng)墻構(gòu)型。在繼承Nes 浮式HAWT 風(fēng)墻構(gòu)型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，每個(gè)單元較小的R/c使RvKVS 渦型較易發(fā)生，有利于提升單元輸出功率；小尺度單元使風(fēng)墻具有較好的自啟動能力；相鄰單元反向旋轉(zhuǎn)進(jìn)一步提升平均功率系數(shù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；更緊湊的陣列布置大大提升了構(gòu)型整體的功率系數(shù)和風(fēng)能輸出密度。

本文的比擬研究，建立在兩種流動葉片攻角變化的相似性基礎(chǔ)上，而沒有考慮VAWT 在旋轉(zhuǎn)過程中的離心力效應(yīng)，葉片的受力響應(yīng)也僅考慮了自身渦脫落模式的影響，沒有考慮葉片之間的相互作用。這些問題都有待進(jìn)一步研究。本文提出的新式風(fēng)墻構(gòu)型目前處于概念設(shè)計(jì)階段，其工作性能和安全性的定量評估還需要進(jìn)行一系列原型機(jī)測試。

致謝：感謝上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的貢建國、徐昊、魏方以和代燚工程師等在實(shí)驗(yàn)過程中的幫助和支持。