变革之风

初创公司siWING通过专为私人使用而设计的小型风力机，改变世界对风力发电的认知。该公司依靠工程仿真来最大限度地提高发电量，同时将产品尺寸和重量降至最低，以吸引消费者。其小巧美观的设计将对全球能源产业产生重大影响。

随着消费者寻求提高能源独立性、控制公用成本，并采用更具可持续性的方式，在住宅上安装光伏面板已变得司空见惯。有一家名为siWING（“智能之翼”的英文缩写）的创新型初创公司，其目标是使私人风力机变得普及化。siWING总部位于德国维斯马，随着今年秋季即将推出ROTOLUS产品系列，其正在悄然掀起一场风能变革。

ROTOLUS涡轮机的尺寸范围在6至24米之间，每年能够产生超过25,000千瓦时的电能，可为大约五个家庭提供电力。即使是最小的设计尺寸，每年也可以产生超过2,500千瓦时的电能，相当于普通家庭年电能需求的一半。从成本和可持续性的角度来看，这是一款切实可行的解决方案。但是，siWING首席研发工程师Paul Köster博士表示，该公司仍然需要赢得客户的信任和支持。

塑造新一代风力发电

大型商用风力机拥有悠久的使用历史和一套公认的设计原则，但Köster及其团队设计小型叶轮机却是从零开始。siWING叶轮机最独特的特征之一——具有独特造型的叶片设计，源于实际需要。

Köster解释道：“我们不能简单地缩小商用叶片设计的尺寸，因为其设计无法使其在如此小的尺寸下工作。叶片必须高速旋转，并且会产生高强度的噪声。因此，我们必须找到适合自己的最佳叶片形状。同样，我们必须彻底重新设计桅杆并探索新材料，以减少振动。鉴于消费者的需求范围，以及影响产品设计的诸多因素，我们从一开始就知道我们正在执行一项复杂的工程任务。”

为了快速准确地完成必要的分析工作，siWING工程师采用了Ansys解决方案套件，包括Ansys Fluent、Ansys Mechanical和Ansys SpaceClaim。

Köster表示：“由于我们的目标是开发出在光学设计、电源效率、可持续性和操作安全性等方面得到优化的产品，因此流体力学和结构力学都至关重要，而相关的流固耦合也同样重要。在siWING，我们不能仅关注风力机的某个特殊部件，因为它需要作为一个完整的系统来运行。”

他继续道：“Ansys解决方案的独特之处在于其能够处理多物理场任务的同时也易于使用，毕竟这些任务在开发风力机等复杂系统时会不可避免地交织在一起。Ansys Workbench是一个巨大的优势，它能够轻松集成最多元化的任务，并消除耗时、易出错的导出和导入操作。Workbench使我们的工程师能够以清晰的方式轻松连接开发过程中使用的所有不同工具，无论是单个部件还是整个涡轮机设计。所有计算和仿真都可与设计进行无缝链接，并且还可通过几何界面完成动态集成。”

Köster补充道：“与我们以前使用的程序相比，Ansys软件的人机工程学水平要高得多，使我们可以更快、更高效、更精确地工作。如果没有使用Ansys解决方案，我们很难完成所有所需的空气动力学计算，也无法迅速将ROTOLUS投放市场。”

实现快速、准确的优化

在siWING产品研发团队致力于完善ROTOLUS设计的过程中，Ansys仿真软件通过迭代研究和改进功能，助力其将叶轮机的性能提升到全新水平。

Köster指出：“我们的初始叶片设计使用叶片元方法进行手动评估，并被引导至目标通道。这样得到的总功率系数为0.41，我们还通过精心设计的实验进行了验证。然后，Ansys仿真帮助我们获得了关于叶片各部分局部流动条件的详细信息。基于该分析，我们能够改进和定制叶片，例如，通过修改局部扭曲角度和弦长，以及整体叶片长度和形状。Ansys使我们实现了0.49的功率系数，这是一个极佳的水平。”

通过Ansys仿真优化的另一个组件是转子轮毂，其将叶片连接到主轴，并通过旋转为发电机提供动力。

Köster解释道：“siWING团队利用Ansys软件对轮毂的拓扑结构进行优化，以满足重量、强度和稳定性要求。我们利用Fluent确定了精确的风载荷，然后使用Mechanical设计出合适的轮毂结构来承受这些载荷。然而，该轮毂不仅必须安全可靠地承受风力等物理作用力，而且还必须尽可能轻便。”

为了实现这一目标，该团队从易于制造的目标设计开始，并对其进行载荷测试。在接下来的步骤中，siWING工程师使用拓扑优化来识别材料应力较低的区域，并将其消除，然后使用SpaceClaim重新设计模型，并再次进行优化。

Köster表示：“Ansys仿真使我们能够同时应用包括载荷在内的多种设计条件，从而获得一种拓扑结构，其可在稳定性和强度保持不变的情况下实现优化的轻量化属性。仿真的直接结果是，轮毂的重量减少了大约45%。”

在最后一步中，我们仅在那些能够实现显著制造优势的位置，将材料添加到轮毂设计中。这样，siWING就可以在不影响性能的情况下选择最简单的铸造工艺。Köster指出：“可制造性设计能力是Ansys软件的一个重要优势。”

强大的合作伙伴关系

回顾过去，Köster认为他的团队应对的是一项看似无法攻克的工程挑战。

Köster表示：“我们需要实现一种全新的涡轮机设计，一方面，它必须紧凑、低速、安静；另一方面，它还必须功能强大，具备极高的性能系数。此外，我们还需要从外观设计的角度精心研发ROTOLUS，因为和谐的外观是不可或缺的差异化优势。”

Köster认为，siWING与Ansys的合作是攻克这一多元化工程挑战的关键因素。Köster强调道：“Ansys是siWING的重要战略合作伙伴，我们的整个仿真战略都基于Ansys。siWING最赞赏Ansys的技术功能、多元化和质量，以及其精英渠道合作伙伴INNEO Solutions，后者在德国为我们提供了卓越的支持。”

Köster认为，如果没有Ansys工程仿真，他们就难以研发出即将推出的ROTOLUS产品。

Köster总结道：“综合全面的Ansys软件包使我们能够进行验证设计所需的严格分析，同时节省宝贵的资源。通过密集的计算、流体研究、结构分析以及两者的耦合变体，我们能够大幅减少对耗时的物理测试的需求。得益于Ansys，我们坚信，ROTOLUS能够满足消费者对安全性、安静性能、美观外观以及最大能量输出的期望。”

siWING已在准备改变住宅用能源产品，可以预见，一款设计精美的小型风力机可能很快就会出现在您的生活中。