波流作用下水平轴潮流能水轮机与浮式载体耦合运动水动力研究

The development and application of tidal current energy are related to many scientific and technical problems, in which the dynamic characteristics of the hydraulic turbine can directly affect its capture efficiency. Due to the presence of wave, the tidal velocity changes periodically, on the other hand, the turbine and floating supporter move together with multiple degrees of freedom, the flow field becomes very complicated. In this program, a theoretical and experimental study on the hydrodynamic problem of a horizontal-axis tidal current turbine attached to a floating supporter is presented. Based on the potential and viscous flow theories, the mathematical model of the horizontal axis turbine under combined wave and current is established, and the dynamic characteristics of the hydrodynamic load and flow field are studied. On this basis, the dynamic equation of coupled motion of horizontal axis turbine and floating supporter is built. An effective numerical method is developed to calculate the coupled equation. Then the hydrodynamic coupling analysis of the turbine and floating supporter can be conducted. To bring the mechanical mechanism of hydrodynamic characteristics of horizontal axis turbine coupling motion to light, the coupling motion control platform of the turbine should be established and the model test need to be carried out, and then it can provide a reliable basis to establish mathematical model and verify the numerical calculation method. Based on the above research, this program provides the design basis for the development of high efficiency horizontal-axis tidal current turbine.

潮流能开发与应用涉及许多科学技术问题，其中水轮机的动力特性直接影响到潮流能捕获的效率。由于波浪的存在，一方面使潮流流速发生周期性变化，另一方面导致水轮机和浮式载体一起随波浪产生运动响应，使水轮机发生多自由度耦合运动，其周围的流场变得非常复杂。本项目针对基于浮式载体的水平轴潮流能水轮机在波流作用下运行时的水动力问题开展理论和试验研究。基于势流和粘流理论，建立波流作用下水平轴水轮机水动力数学模型，研究水轮机的水动力载荷及其流场特性变化机理；在此基础上，建立水平轴水轮机与浮式载体耦合运动的动力学方程，形成一套有效计算耦合运动方程的数值方法，进而对水轮机与浮式载体进行水动力耦合特性分析；建立水平轴水轮机耦合运动控制平台，开展模型试验研究，进一步揭示水轮机耦合运动时水动力特性的力学机理，以及为数学模型的建立和数值计算方法的验证提供可靠依据。通过上述研究，为开发高效的水平轴水轮机提供设计依据。

由于波浪的存在，一方面使潮流流速发生周期性变化，另一方面导致水轮机和浮式载体一起随波浪产生运动响应，使水轮机发生多自由度运动，其周围的流场变得非常复杂。本项目针对基于浮式载体的水平轴潮流能水轮机在波流作用下运行时的水动力问题开展理论和试验研究。基于CFD理论，建立了波流作用下水平轴水轮机水动力数学模型，研究了水轮机的水动力载荷及其流场特性变化机理；建立了波流条件下水轮机多自由耦合运动水动力数值计算方法，开展了波流条件下水轮机发生旋转和纵摇耦合运动水动力特性研究，得到了波浪和纵摇运动对水动力载荷的影响规律；在此基础上，建立了水平轴水轮机与浮式载体耦合运动的动力学方程，形成了一套有效计算耦合运动方程的数值方法，进而对水轮机与浮式载体进行了水动力耦合特性分析，得到了浮式载体运动对水动力载荷的影响规律；建立了水平轴水轮机水动力载荷的测试方法及转速控制方法，开展了模型试验研究，进一步揭示了水轮机水动力特性的力学机理，以及为数学模型的建立和数值计算方法的验证提供可靠依据。通过上述研究，为开发高效的水平轴水轮机提供设计依据。项目资助发表相关论文16篇，其中SCI检索9篇，EI检索5篇，待发表5篇。申请发明专利和软件著作权各1项。培养硕士生3人。