海洋能源網(wǎng)獲悉，麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種基于物理的綜合模型，即使在極端條件下也能準(zhǔn)確表示轉(zhuǎn)子周圍的氣流，例如當(dāng)葉片以高力和速度運(yùn)行時(shí)，或在某些方向上傾斜時(shí)。

該模型可以改進(jìn)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方式以及風(fēng)電場(chǎng)的布局和運(yùn)營(yíng)方式。麻省理工學(xué)院博士后Jaime Liew，博士生Kirby Heck和土木與環(huán)境工程助理教授Michael Howland在Nature Communications雜志上的一篇開放獲取論文中對(duì)其進(jìn)行了描述。

目前，葉片的設(shè)計(jì)基于一個(gè)多世紀(jì)前首次在數(shù)學(xué)上描述的空氣動(dòng)力學(xué)原理，它們并非在所有情況下都有效，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察添加了校正因子。

Michael Howland表示：“我們已經(jīng)為轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)了一種新理論。該理論可用于確定轉(zhuǎn)子的力、流速和功率，無論該轉(zhuǎn)子是從氣流中提取能量(如風(fēng)力渦輪機(jī))，還是將能量應(yīng)用于氣流(如船舶或飛機(jī)螺旋槳)。這個(gè)理論在兩個(gè)方向上都起作用。”

為了得到新模型，該團(tuán)隊(duì)使用空氣動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)計(jì)算模型分析了氣流和渦輪機(jī)的相互作用。

他們發(fā)現(xiàn)，例如，原始模型假設(shè)轉(zhuǎn)子后面的氣壓下降會(huì)迅速恢復(fù)到下游不遠(yuǎn)處的正常環(huán)境壓力。但事實(shí)證明，隨著推力的不斷增加，這種假設(shè)越來越不準(zhǔn)確。

Howland表示：“到目前為止，即使是風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商、制造商和渦輪葉片的設(shè)計(jì)者，也無法預(yù)測(cè)渦輪機(jī)的功率輸出會(huì)受到給定變化的影響程度，例如如果不使用經(jīng)驗(yàn)校正，例如其與風(fēng)的角度。那是因?yàn)闆]有理論支持它。所以，這就是我們?cè)谶@里所做的工作。我們的理論可以直接告訴你，無需任何實(shí)證修正，這是第一次，你應(yīng)該如何實(shí)際操作風(fēng)力渦輪機(jī)以最大化其功率。”

研究人員根據(jù)理論分析推導(dǎo)出了他們的新模型，他們稱之為統(tǒng)一動(dòng)量模型，然后使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。在尚未發(fā)表的后續(xù)工作中，他們正在使用風(fēng)洞和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

由于流體流動(dòng)狀態(tài)相似，因此該模型也適用于螺旋槳，無論是飛機(jī)還是船舶，也適用于水力渦輪機(jī)，例如潮汐或河流渦輪機(jī)。

新理論以一組數(shù)學(xué)公式的形式存在，用戶可以將其合并到自己的軟件中，或者作為可以從GitHub免費(fèi)下載的開源軟件包。

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和西門子歌美颯可再生能源公司的支持。