通过新型平式格尼襟翼设计提升达里厄斯垂直轴风机的起动性与扭矩

让风能在微风中也能发挥作用

许多社区，尤其是农村地区，常常面临风力过弱或变化过快，导致现有标准风机难以有效运行。本文探讨了一种可简单安装到一种较少为人知的风机——垂直轴风力机（VAWT）上的附加装置，旨在帮助其更容易起动并在弱风中产生更多功率。通过谨慎地重塑每片叶片的后缘，作者表明小型被动装置即可在无需电机、传感器或复杂控制的情况下显著提升性能。

为什么垂直轴风机难以起动

与直接迎风的传统螺旋桨式风机不同，垂直轴风机像旋转木马一样旋转，能够从任意方向捕捉风。这使它们对拥挤的城市、小农场以及风向常变的太阳能—风能混合系统具有吸引力。然而，它们的弱点是自起动性差：在弱风或阵风条件下，除非有外力推动，否则可能保持静止。本研究聚焦于一种被广泛使用的翼型—NACA 0015，探讨对其后缘进行简单调整如何改善风机的自起动能力并在较广风速范围内维持高效发电。

小铰链与小舌板带来大影响

研究人员测试了三种后缘附加装置：平式襟翼（小型铰接延伸件）、格尼襟翼（叶片后端的一小固定舌板）以及二者结合的混合型。他们先用先进的计算流体动力学模拟气流绕过风机的情况，然后制造了一个一米模型，考察这些装置如何改变扭矩（使轴旋转的扭转力）和功率输出。通过尝试不同的襟翼位置和倾角以及不同的舌板尺寸和朝向，研究团队寻找一种在轻风和强风条件下均能可靠工作的布局，且无需活动零件或电子控制。

适用于日常使用的获胜设计

在所有选项中，表现最好的方案是将平式襟翼放置在叶片弦线的中点（基本上在叶片厚度中部），并将其倾斜10度。这种适度的弯折使叶片表现得像更有弯度的翼型，能够更强地牵引流过的气流并延迟流动分离和失速的发生。在非常低的端速比——典型的弱风起动条件下——该配置将平均扭矩提高了约30–40%，并将功率输出提高了约40%，与未经改造的叶片相比尤为明显。更重要的是，在风机转速较高时，它还能保持阻力（即减慢旋转的不利阻力）在可控范围内。

当额外复杂性不再有益

混合襟翼—舌板设计在某些低速运行点上最初显示出略高于单纯平襟翼的效率提升，但这些收益伴随着代价。在更高的转速下，额外的舌板在叶片后方产生更强的旋涡尾迹，增加了阻力并削弱了性能。模拟结果表明，超出某个中等速度范围后，混合设计的效率会下降，有时甚至不如更简单的基线叶片。相比之下，中弦位置的平式襟翼在几乎整个测试的工作范围内都提供了稳定、可预测的改进。

从计算到实地测试

为了验证模拟中的提升能否在真实气流中出现，团队用3D打印制造了带与不带优化襟翼的叶片，并将它们安装在一台小型垂直轴风机上。户外自然风试验显示，在风速为5.5米每秒时，装有襟翼的风机转速比未改造版本快约51%。虽然这些实验旨在验证趋势而非精确测量绝对功率，但转速的一致增加强烈支持了模拟结果，并表明该设计已具备在离网小型系统中实用的潜力。

对普通能源用户意味着什么

对非空气动力学领域的读者来说，核心信息很直接：通过在每片叶片后缘加一个小的固定弯角，作者找到了一种低成本的方法，能帮助垂直轴风机实现自起动并更好地利用微弱且多变的风。推荐的设计——在叶片中段处安装一个倾斜10度的襟翼——在起动性、效率和制造简易性之间达成了良好平衡。更复杂的襟翼与舌板组合在极为特定的条件下可能有用，但对于需要可靠运行且无需持续维护的小型农村风机和太阳能—风能混合装置而言，简单襟翼更显稳健且实用。

引用: Eltayeb, W., Somlal, J., SirElkhatim, M. et al. Enhancing start-up and torque in Darrieus VAWTs through a novel plain gurney flap design. Sci Rep 16, 7136 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38485-9

关键词: 垂直轴风力机, 自起动风机, 后缘襟翼, 农村风能, 小型风力发电