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確表示轉(zhuǎn)子周圍的氣流，例如當(dāng)葉片以高力和速度運行時，或在某些方向上傾斜時。

該模型可以改進轉(zhuǎn)子的設(shè)計方式以及風(fēng)電場的布局和運營方式。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其進行了描述。

目前，葉片的設(shè)計基于一個多世紀前首次在數(shù)學(xué)上描述的空氣動力學(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)，還是將能量應(yīng)用于氣流(如船舶或飛機螺旋槳)。這個理論在兩個方向上都起作用。”

為了得到新模型，該團隊使用空氣動力學(xué)的詳細計算模型分析了氣流和渦輪機的相互作用。

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迅速恢復(fù)到下游不遠處的正常環(huán)境壓力。但事實證明，隨著推力的不斷增加，這種假設(shè)越來越不準確。

Howland表示：“到目前為止，即使是風(fēng)電場的運營商、制造商和渦輪葉片的設(shè)計者，也無法預(yù)測渦輪機的功率輸出會受到給定變化的影響程度，例如如果不使用經(jīng)驗校正，例如其與風(fēng)的角度。那是因為沒有理論支持它。所以，這就是我們在這里所做的工作。我們的理論可以直接告訴你，無需任何實證修正，這是第一次，你應(yīng)該如何實際操作風(fēng)力渦輪機以最大化其功率。”

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)一動量模型，然后使用計算流體動力學(xué)建模對其進行驗證。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)場測試進行進一步的驗證。

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

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免費下載的開源軟件包。

這項工作得到了美國國家科學(xué)基金會和西門子歌美颯可再生能源公司的支持。