█ 蔡協澄助理教授（右）與陳良基部長合影。

垂直軸風力發電機（圖一（b））近年來因俱有全向性、低面積需求、低噪音等眾多優點而受到矚目，但其仍有效率較水平軸風力發電機（圖一（a））為低的重大缺點。本計畫將利用數值模擬開發垂直軸風力發電機的主動式流場控制（activeflowcontrol）技術，藉由控制葉片表面低壓區的流場提升葉片所受的升力，進而提高垂直軸風力發電機的效能。

（a）	（b）
█ 圖一　（a）水平軸風力發電機和（b）垂直軸風力發電機。

垂直軸風力發電機在運作時，葉片因受外來風場驅動而受力轉動，而葉片的轉動同時影響葉片週遭流場，進而再改變葉片的受力和轉動速度。此複雜的運動稱為流固耦合（flow-structureinteraction）。本計畫將開發穩定及快速的數值方法，稱為沉浸邊界投影法（immersedboundary projectionmethod），以模擬流體驅動垂直軸風力發電機的流固耦合（圖二）。此方法特色在將施加於沉浸邊界的力視為同時滿足非滑移邊界條件及流固耦合運動方程式之拉格朗日乘子（Lagrangemultipliers），因此可在無時間步進限制下將邊界力隱性地解至任意精度且不需疊代。再利用投影法將流場中不滿足前述條件之分量去除。

█ 圖二　垂直軸風力發電機之二維横截面模擬。

本計畫將使用介電質阻擋放雷器（Dielectricbarrierdischarges,DBD）做為制動器（actuator）沿展向安裝於葉片表面。於數值模擬中，以定域體力來模擬DBD於葉片表面產生的流向電漿噴流。主動式流場控制在固定輸入能量下是否能有效率地提升葉片升力取決於制動器的制動位置和制動頻率。以往最佳的位置和頻率均是靠耗時的試誤法（trail-and-errormethod）來尋找。本計畫將使用模擬數據進行預解分析（resolventanalysis），由此分析將可找出流場何處對某頻率區段的微擾最為敏感，提供設計最佳制動位置和制動頻率的有用資訊。
過去研究發現在垂直軸風力發電機運轉時，葉片會於特定區域產生尾流捕捉（wakecapturing）現象。此現象將降低葉片產生的升力進而減少垂直軸風力發電機產出的功率。本計畫預期利用所開發的主動式流場控制技術，將可以移除被葉片捕捉到的尾流（圖三），提升葉片升力，提高垂直軸風力發電機的功率。

█ 圖三　制動器置於葉片前沿30%弦長時，未控制（Baseline flow）和被控制（Controlled flow）的渦度場模擬。