垂直轴涡轮的致动线建模

为弥合垂直轴（或横流）涡轮（VAT或CFT）高保真与低保真数值建模工具之间的差距，我们开发并验证了一种致动线模型（ALM），适用于转子直径雷诺数 $Re_D \sim 10^6$ 的高实度和中等实度垂直轴涡轮。ALM是经典叶素理论与基于纳维-斯托克斯的流动模型的结合，本研究使用开源OpenFOAM计算流体动力学框架测试了 $k$--$\epsilon$ 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）和Smagorinsky大涡模拟（LES）两种湍流模型。RANS模型能够在粗网格上运行，同时在平均功率系数方面提供良好的收敛行为，并且与三维叶片解析RANS模拟相比，计算开销降低了约四个数量级。实现了动态失速、端部效应、附加质量和流动曲率的子模型，从而对高实度转子得到了合理的性能预测，对中等实度转子差异较大，且在高尖速比下两种情况均存在过高预测。尾流结果表明，ALM能够捕捉到促成VAT相对快速尾流恢复的一些重要流动特征——相比传统的致动盘模型是一大改进。平均流场用LES更好地实现，其相比三维叶片解析RANS仍节省了两个数量级的计算量，但涡破裂及随后的湍流生成似乎被低估，这需要进一步研究最优亚格子尺度建模。