تحسين الأداء الأيروديناميكي لتوربين رياح اللولب الأرخميدي: تحليل تجريبي ومحاكاة CFD مجمعة لتأثير نسبة الخطوة وعدد الشفرات

لماذا يهم نوع جديد من توربينات الرياح

مع سعي المدن إلى طاقة أنظف، تبدو طاقة الرياح خيارًا واضحًا. ومع ذلك، فإن التوربينات الشاهقة ذات الشفرات الثلاث الشائعة في الحقول المفتوحة تواجه صعوبات في المشاهد الحضرية المكتظة، حيث تكون الرياح أبطأ وأكثر فوضوية وتتغير اتجاهاتها باستمرار. تستكشف هذه الورقة آلة مختلفة — توربين رياح اللولب الأرخميدي — المصمم بشكل قوقعة لولبية ملتوية. يطرح الباحثون سؤالًا عمليًا: كيف يجب ضبط هندسة اللولب وعدد الشفرات لهذه التوربينات بحيث تعمل بكفاءة وموثوقية في رياح المدن ذات السرعات المنخفضة؟

توربين لولبي مصمم لرياح المدينة

توربين رياح اللولب الأرخميدي (ASWT) هو توربين مضغوط ذو محور أفقي تلتف شفراته حول العمود المركزي في لولب ناعم بدلاً من الامتداد مباشرة إلى الخارج. تسمح هذه الشكـلة له بالتقاط الريح من اتجاهات متعددة والبدء بالدوران حتى عندما تكون الهبات ضعيفة وغير مستقرة — وهي ظروف نموذجية بين المباني. ومع ذلك، فإن نفس التصميم اللولبي والمتعدد الشفرات الذي يساعد عند السرعات المنخفضة يمكن أن يزيد أيضًا من مقاومة الهواء والأحمال الهيكلية، مما يقيد أقصى كفاءة. تركز الدراسة على إيجاد نقطة توازن حيث يبدأ التوربين بسهولة ويعمل بسلاسة، وفي الوقت نفسه يحوّل أكبر قدر ممكن من طاقة الرياح إلى طاقة مفيدة.

ضبط شكل اللولب

إحدى ميزات التصميم الرئيسية لهذا التوربين هي مدى «انفتاح» اللولب على طول العمود، التي يتحكم بها طولان يُدعيان الخطوة 1 والخطوة 2. تحدد نسبتهما (S1/S2) ما إذا كانت الشفرات أكثر انحناءً بإحكام أم ممتدة أكثر. لدراسة هذا دون خلط تأثيرات أخرى، حافظ الفريق على الحجم العام ونسبة الدوار ثابتين، وغيّروا فقط S1/S2 عبر ستة نسخ. بنوا نماذج ثلاثية الأبعاد، وأجروا محاكاة تدفق هواء مفصلة، ثم اختبروا نماذج فعلية مطابقة في نفق هواء عند سرعات رياح واقعية بين 5 و10 متر في الثانية. وصلت كل النسخ إلى أفضل أداء في نظام دوران مشابه، لكن إعدادًا متوسط النطاق (المسمى PR-5) برز بوضوح، محققًا أعلى ناتج للطاقة عن طريق توجيه الهواء بسلاسة أكبر على طول الشفرة دون التسبب في سحب مفرط.

إيجاد العدد المناسب من الشفرات

مع تثبيت شكل اللولب عند هذا الضبط الأمثل، درس الباحثون بعد ذلك كم عدد الشفرات التي ينبغي أن يحملها التوربين — اختبروا نموذجين بثلاث وأربعة وخمس وست شفرات. توفر الشفرات الإضافية سطحًا أكبر لتؤثر عليه الريح، مما يساعد التوربين على البدء بالدوران عند سرعات منخفضة وإنتاج عزم ثابت. لكن حشو عدد كبير جدًا من الشفرات يجعل الدوار أكثر سمكًا أيضًا، مما يزيد الاضطراب والاحتكاك في الهواء، وهو ما يمكن أن يقلل الكفاءة بعد أن يدور بسرعة أكبر. أظهرت المحاكيات وقياسات نفق الهواء نمطًا واضحًا: نسخة ذات ثلاث شفرات قدمت أفضل توازن عام، محققة معامل طاقة أقصى يقارب 0.264 عند نسبة سرعة طرفية متوسطة، بينما عانت النسخ ذات الشفرات العديدة من سحب مضاف ومؤثرات خلفية غير منتظمة وراء الدوار. أداء نموذج الشفرتين كان أفضل بعض الشيء عند سرعات دوران أعلى لكنه كان أقل قدرة عند الرياح الهادئة.

نظرة داخل التدفق

لفهم سبب ظهور هذه الاختلافات، فحص الفريق خرائط تفصيلية للضغط والسرعة حول الشفرات. في تصميم الثلاث شفرات الأكثر نجاحًا، تسارعت الهواء بسلاسة على الجانب الماص لكل شفرة وتباطأت على الجانب المعاكس، مكوِّنة فرق ضغط قوي ومتوازن يدفع الدوران. ظل الجريان الخلفي خلف التوربين مدمجًا ومنظمًا نسبيًا، مشيرًا إلى استخراج طاقة فعال مع اضطراب متواضع. بالمقابل، أظهر الدوار ذو الشفرتين تحميلًا أضعف ومتقطعًا، بينما أنتجت الدوارات ذات خمس أو ست شفرات مناطق ضغط متداخلة وذيولًا عريضة وبطيئة الحركة — علامات على أن الهواء كان يُجهد أكثر وأن جزءًا كبيرًا من المساحة الإضافية للشفرات كان في الواقع عائقًا بدلاً من أن يكون مفيدًا.

ما يعنيه هذا لطاقة الرياح الحضرية

بعبارات يومية، تُظهر الدراسة أن توربين اللولب الأرخميدي يمكن ضبطه ليعمل جيدًا حيث تكافح التوربينات التقليدية الكبيرة: في رياح المدن المنخفضة والمتقلبة. من خلال ضبط سرعة انفتاح اللولب بعناية (نسبة S1/S2) واختيار تخطيط ثلاثي الشفرات، يمكن للمصممين تحقيق دوار مدمج يبدأ بسهولة، ويعمل بثبات، ويحوّل حصة محترمة من طاقة الرياح إلى كهرباء — دون أنظمة توجيه معقدة. ورغم أن كفاءته القصوى لا تزال أقل من تلك الخاصة بالتوربينات الكبيرة في الحقول، فإن هذا التصميم الحلزوني المحسّن يقدم خيارًا واعدًا للأسطح والسدّات الصغيرة الموزعة، ويعطي مخططًا قويًا لتحسينات مستقبلية في الشكل والبنية والمواد.

الاستشهاد: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

الكلمات المفتاحية: توربين رياح حضري, دوار لولبي أرخميدي, تحسين عدد الشفرات, الحوسبة الماقية للموائع, طاقة رياح صغيرة النطاق