本研究團隊致力於風場與風力發電機負載相關的模擬研究。在進行風機的雙向流固耦合(FSI，Fluid-Structure Interaction) 模擬時，當代技術儘管能夠以更高的準確度預測風機的實際運轉行為，卻同時帶來較高的計算成本與潛在的數值不穩定性。本研究提出一種結合弱耦合與強耦合的方法，對一標準5 MW參考風機進行整機FSI模擬，流程如圖一所示。流場與結構的求解器分別選用商用軟體STAR-CCM+與Abaqus。
首先，在STAR-CCM+中建立環境風場與風機模型，並計算風機表面的壓力與剪力分布，接著將數據映射到Abaqus中的有限元素模型進行結構變形計算，並將結構變形回饋到流體計算之中，重複此流程直至風機葉片實現一完整旋轉周期。風機的葉片變形透過弱耦合方式進行計算，確保葉片變形滿足收斂標準後，才以剛體的形式旋轉至下一方位角。本研究中將風機葉片分爲彈性葉片與剛性葉片，並對兩者在定轉速下之轉子負載、功率、葉尖變形及尾流進行計算及比較分析。研究結果顯示，轉子與風機塔柱間的交互作用與風機負載有顯著的相關性，我們的結果與美國國家再生能源實驗室(NREL)所開發之風機模擬軟體OpenFAST的預測值相符，且與其他相關文獻中的數據吻合。
單一葉片旋轉一週時，氣動力矩受到平均風剖面與塔柱效應影響，在葉片旋轉至180°時出現明顯下降，如圖二所示。相較於剛性葉片，彈性葉片所產生的風機功率下降了9.6%，如圖三所示。而三葉片轉子在一完整旋轉周期内，葉片會各自受到塔柱的影響，使整體轉子氣動軸向力矩出現三次下降，即分別對應至各葉片旋轉至180°方位角的情況(圖四)。對於塔柱底部的縱向力矩 QLo 、側向力矩 QLα 及垂直向扭矩 Qv ，其變化趨勢如圖五所示。而模擬風場的風速分布之各向剖面如圖六與圖七所示，其中流場中的顔色代表風速，風機表面顔色代表壓力。圖中可見，彈性葉片因變形使得轉子掃掠面積減少，風機下游的尾流影響區域有所擴展，並將較大動量傳遞至下游氣流中，進導致風機的發電量降低。（機械系盧南佑教授提供）
圖一：FSI流程圖。
圖二：葉片在旋轉周期内的氣動力矩。
圖三：風機功率在旋轉周期内的變化。
圖四：作用於三葉片的氣動力矩之周期變化。
圖五：葉片對塔柱底部的(a)縱向力矩 QLo 、(b)側向力矩 QLα 及(c)垂直向扭矩 Qv 。
圖六：風速與風機表面壓力分布之正剖面。
圖七：風速與風機表面壓力分布之側剖面。