Численное исследование интеграции сопутствующего струйного потока для повышения аэродинамической эффективности профилей, используемых в ветряных турбинах

Почему это важно для чистой энергетики

Современные ветряные турбины должны извлекать как можно больше энергии из каждого порыва ветра, однако их лопасти могут терять эффективность, когда поток воздуха «сваливается» и отрывается от поверхности. В этом исследовании рассматривается перспективный способ удержания воздуха у поверхности лопасти с помощью встроенной циркулирующей струи воздуха, что потенциально позволит будущим турбинам вырабатывать больше электроэнергии, работать безопаснее при более широком диапазоне скоростей ветра и эффективнее использовать возобновляемые ресурсы.

Как удержать воздух «приклеенным» к лопасти

Лопасти ветряных турбин работают как крылья самолёта: для создания подъёмной силы требуется гладкий, быстро движущийся поток воздуха над их верхней поверхностью. При высоких скоростях ветра или больших углах атаки этот поток может отделяться, образуя вихри, которые резко снижают подъёмную силу и увеличивают сопротивление — это явление называется сваливанием. Традиционные решения включают переработку профиля лопасти или добавление небольших пассивных элементов, направляющих поток, но такие изменения ограничены и не адаптируются к изменению ветра. Активные методы, использующие внешний источник энергии для управления потоком, могут давать больший эффект, но они сложнее. Одна из таких техник — сопутствующая струя (co-flow jet) — отбирает воздух с тыльной стороны лопасти и вновь подаёт его вблизи передней кромки, повторно энергизируя тонкий слой воздуха, который наиболее важен для подъёма.

Лопасть с встроенной циркуляционной петлёй

Исследователи сосредоточились на широко используемом поперечном сечении лопасти, известном как профиль S809, и оснастили его системой сопутствующей струи. В их конструкции узкая щель у передней части лопасти подаёт воздух по верхней поверхности, а более длинная щель ближе к хвостовой части всасывает воздух обратно. Внутри лопасти канал и небольшой компрессор замыкают цикл. Используя численное моделирование с верифицированной моделью течения жидкости, они варьировали три ключевых параметра: угол, под которым подаётся воздух у передней кромки, точное положение всасывающей щели ближе к хвосту и долю рециркулируемого воздуха в системе. Эти модифицированные лопасти сравнивали с оригинальным, немодифицированным профилем при широком диапазоне направлений ветра, представленном углом атаки.

Поиск оптимума для струи

Команда обнаружила, что детали геометрии имеют критическое значение. Когда всасывающая щель расположена слишком далеко вперёд или назад, или когда струя выходит под пологим углом, управление потоком значительно теряет эффективность. Их систематический поиск показал, что лучшая конфигурация размещает всасывающую щель примерно на 80 процентах хорды лопасти (от передней кромки) и направляет подаваемый воздух под крутым углом около 78 градусов относительно поверхности. При такой комбинации моделирование показало, что ранее неустойчивый поток оставался прижатым даже при углах, при которых необработанная лопасть уже сваливалась. Важно, что они также установили: для получения большинства преимуществ требуется лишь умеренная рециркуляция — около 2,5 процента от объёма ветра, проходящего через диск ротора; увеличение потока даёт мало дополнительного улучшения, но потребует большего энергопотребления компрессора.

Насколько лучше может работать лопасть?

При оптимальных настройках сопутствующей струи смоделированная лопасть продемонстрировала заметные улучшения. При требовательном угле атаки 20 градусов подъёмная сила — полезная сила, помогающая турбине извлекать энергию из ветра — увеличилась примерно на 170 процентов по сравнению с базовой лопастью, а сопротивление сократилось примерно на 53 процента. В совокупности эти изменения значительно улучшили отношение подъёма к сопротивлению, ключевой показатель аэродинамической эффективности. Начало сваливания сместилось с примерно 15 до 20 градусов, увеличив запас по сваливанию примерно на одну треть. На практике это означает, что турбина с такими лопастями могла бы безопасно работать при большей нагрузке или в более турбулентных условиях, прежде чем её производительность резко упадёт.

Ограничения и соображения по безопасности

Исследование также рассмотрело, что происходит, если система сопутствующей струи внезапно перестаёт работать, но щели остаются открытыми. В этом сценарии «выключения» лопасть показала худшие характеристики, чем исходный сплошной профиль: подъёмная сила упала примерно на 42 процента, а сваливание наступило раньше, около 16 градусов. Пустые каналы и отверстия нарушали поток вместо того, чтобы помогать ему. Этот результат подчёркивает важный инженерный компромисс: хотя сопутствующие струи могут значительно повысить эффективность при работе, проектировщикам необходимо учитывать поведение при отказе и, возможно, предусмотреть способы закрытия или обхода щелей, когда система неактивна.

Что это значит для будущих ветряных турбин

В целом работа показывает, что тщательно настроенная система сопутствующей струи может сделать стандартный профиль лопасти ветряной турбины значительно более эффективным, особенно в сложных ветровых условиях. Удерживая поток прижатым дольше и задерживая сваливание, такие лопасти могли бы захватывать больше энергии и работать более устойчиво без существенных изменений общей конструкции турбины. Авторы приводят конкретные геометрические рекомендации — например, где размещать щели и какой объём воздуха рециркулировать — которые могут служить основой для будущих экспериментальных проверок и коммерческих конструкций лопастей. Если эти идеи окажутся практичными в полномасштабной реализации, они помогут ветряным паркам генерировать больше чистой энергии из тех же ветров, что приблизит нас к более устойчивому энергобалансу.

Цитирование: Farghaly, M.B., El Kader, O.M.A., Alsharif, A.M. et al. Numerical investigation of co-flow jet integration to enhance the aerodynamic efficiency of airfoils used in wind turbine applications. Sci Rep 16, 9343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38769-0

Ключевые слова: лопасти ветряных турбин, аэродинамическое управление потоком, сопутствующая струя, задержка сваливания, эффективность возобновляемой энергии