几何与尺度对横流涡轮性能交互作用的实验评估

横流涡轮利用风或流动水中的动能。由于其非定常流体动力学特性，预测转子几何特征与涡轮性能之间的交互作用往往较为困难。本研究考察了三个几何参数的影响：叶片数、预置桨距角以及弦长与半径之比。文中回顾了横流涡轮的相关流体动力学，以及先前以更有限方式考察这些参数的实验研究。在此，我们在跨越一个数量级的基于直径的雷诺数（$\approx 8\times 10^4 - 8\times 10^5$）范围内开展了 223 项独特实验，评估了这三个几何参数对性能的影响。与先前工作一致，最大性能通常随雷诺数增大而提高，并随叶片数增多而降低。更广阔的实验空间厘清了参数间的相互依赖关系；例如，最优预置桨距角随弦长与半径之比增大而愈发为负。由于这些实验同时改变了弦长与半径之比和叶片数，也可评估具有相同实度（总叶片弦长与转子周长之比）的不同转子几何结构的性能。结果表明，尽管实度对最大性能的预测能力较差，但在所有尺度与受测几何结构下，它都是对应最大性能之尖速比的极佳预测指标。总体而言，这些结果对横流涡轮转子设计的相关几何考量给出了独特的整体视角，并为数值模拟与降阶模型的验证提供了丰富数据集。