系统总结风机叶片仿生减阻降噪的数字化秘诀

2026-07-06

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风能开发中，随着风力发电机组向大容量、长叶片方向发展，叶片在复杂多变的气流中所承受的力学考验也日益严峻。实际运行中，传统风机叶片常常面临表面摩擦阻力大、大攻角下容易发生流动分离（失速），叶片后缘产生强烈的气动噪声等现实技术难题。这些问题不仅会降低发电效率，还会对周边环境产生噪声干扰。为解决这些问题，科学家们将目光投向了大自然：经过数百万年的物种进化，游动迅捷的鲨鱼、海中灵活翻滚的座头鲸以及静音飞行的猫头鹰，各自演化出了独特的表面生物结构。

这篇研究系统梳理了微观沟槽（模仿鲨鱼皮）、前缘结节（模仿座头鲸胸鳍）以及后缘锯齿（模仿猫头鹰翅膀）这三类典型仿生流动控制技术的作用机制，总结如何利用数字化“数学建模”替代复杂的实体仿生结构，为大尺寸仿生叶片的工程化设计铺平了道路。

在实验室的物理水洞或风洞中，仿生结构通常能展现出良好的减阻、控流或降噪效果。然而，当工程师尝试利用计算机进行三维数字流体力学（CFD）仿真设计时，却遭遇了严重的“算力大爆炸”。原因在于仿生结构往往非常微小。例如模仿鲨鱼皮的微观沟槽的尺寸通常只有几十微米；如果在长达数十米乃至上百米的大型风机叶片表面用精细网格把成千上万个微观形状全部刻画出来，所需要的计算网格节点数量将超越常规计算机的算力极限。

作者在论文中指出，解决这一困境的核心出路在于“等效建模”：不需要在电脑里画出这些实体仿生几何形状，而是看清它们的物理本质，将其转化为等效的数学边界条件、虚拟结构或动量源项注入到流体力学方程中。这样既能复制仿生的控流效果，又能大幅节省计算资源。

如图1所示，论文全面展示了兼具三种仿生特质的数字化风机叶片设想：在叶片中部表面布置模仿鲨鱼皮的微观沟槽以减小摩擦阻力；叶片前缘设置模仿座头鲸的凸起结节以延缓失速；叶片后缘加装模仿猫头鹰羽毛的锯齿结构以降低噪声。

鲨鱼皮表面布满了细小的V形或U形微观沟槽，能够有效降低液体阻力。流体力学研究提出三种解释：一是微观沟槽限制了气流在横向（翼展方向）的剧烈震荡；二是像筷子托一样，把顺流向旋转的微小涡流“托举”在沟槽顶部之上，减小了高剪切力与壁面的直接接触面积；三是在壁面诱导产生了一种特殊的滑动效应。

图3展现了沟槽减阻的物理图像-顺流向旋转的剪切涡流稳稳地停留在V形山尖上，无法滑入沟槽内部。这种作用反应在边界层内，会导致对数律段的流速剖面曲线产生平稳的向上位移（△U⁺，见图5）。

由于沟槽太小，科学家设计出了“滑移边界条件”或“修改近墙面边界粘度”的数学模型来替代实体结构。中科院团队利用该模型在通用风机翼型（DU-W-96-18）上进行了模拟测试，结果表明，在雷诺数2.2×10⁶条件下，该数学模型在紊流区域可以准确复现阻力下降的趋势，最大可实现3.07%的翼型减阻效果（见图8）。

体型巨大的座头鲸在海中捕食时能做出极度窄半径的灵活翻滚，得益于胸鳍前缘一排排像馒头一样的凸起结节。这些结节在气流迎面吹来时，会产生一对对空间反向旋转的顺流向涡流，作用类似于飞机上的涡流发生器，能将外部的高能量气流引入贴墙的边界层中，从而延缓翼型失速。

传统的仿真必须精确画出起伏的波浪边缘（见图11a的Wavy条目）。团队在理清其物理机制后，创新性地提出了一种简化的 “物理翼栏”模型进行等效替代。图11(b)表明，经过特定几何间距设计的虚拟翼栏结构，同样能够完美地将局部的气流回流区分隔、锁定在特定区间内，限制失速区域在翼展方向横向蔓延。图13的剖面升力系数分布也证实，新模型（红色三角线）成功复现了真实波浪前缘（蓝色方块线）的空间双周期升力特征。

猫头鹰在夜间捕食时能够做到近乎无声的捕食，得益于羽毛边缘呈现出的精细三角形锯齿状。风机叶片的高频噪声大部分源于紊流边界层在流经锋利的后缘切片时产生的噪声散射。加装三角形锯齿后，可以改变局部的流动线流，诱导反向旋转的马蹄涡流生成，从而破坏原有噪声的辐射机制。

为了避免给尖锐的锯齿划分细密的三维网格，受到三角翼升力推导法的启发，通过在空间中积分锯齿两侧的压力差 △ p，反向求解出设备所受的升力与阻力。接着，将这股由压力差带来的力以“不守恒动量源项（f_x, f_y）”的形式，直接写入到流体力学的控制方程（Navier-Stokes方程）中。

图14给出了耗费巨量算力模拟的真实固体锯齿（Serrated case，左侧）与中科院团队开发的动量源项数学模型（Modeled case，右侧）在三个截面上的平均速度云图对比。可以平稳地看出，两者在x、y、z三个方向的速度轮廓图上高度重合。图15声压级频谱图也表明该数学模型（Modeled case，深色实线）准确复现了真实锯齿（Serrated case，浅色线）在低中频段显着的噪声压制趋势。

作者简介：张明明，风能工程领域专家。曾任中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师。现任哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院教授、绿色低碳能源创新技术研究所所长。长期从事风电叶片空气动力学、风电场及复杂地形条件下风力机相互作用与优化设计、风电场选址及控制等方向研究。

DOI：10.1007/s11630-021-1444-1