低能流密度输入下威尔斯式透平的机理研究及优化

Wells turbine is one of the most widely used power take-off unit for the oscillating water column (OWC) wave energy converter. It has advantages of the simple structure and the high peak efficiency, but its defects include the narrow operating range, the bad self-start capability and the existence of stall. Major of the current researches treated the Wells turbine as an independent part, and the input flow conditions were always limited to the constant or regular flow. More efforts are needed to combine the narrow operating range but high peak efficiency of Wells turbine with the low wave energy flux density condition of wave energy resource. The project aims at realizing the engineering application of Wells turbine into the China seas, and improving the study of its aerodynamic mechanism under the real sea conditions. The stochastic approach, the experiments and the numerical simulations are employed to establish the relation between the wave energy condition and the average power output of the turbine, to explore the effects of control strategy and flow input parameters on the unsteady performance of Wells turbine under the irregular flow conditions, and to present the flow field pattern around the turbine blades at each moment of a wave cycle. Finally, the optimal design of Wells turbine, which is more suitable for the wave energy characteristics of China, will be proposed and provide concrete theoretical basis to the practical development of OWC wave energy converter.

威尔斯式透平是振荡水柱波能发电装置中最常用的能量摄取传递部件，具有结构简单、峰值效率高的优势以及工作范围窄、自启动性能差、存在失速现象的不足。已有研究成果多将透平作为独立环节单独研究，气流输入形式多局限于定常或正弦往复气流，尚无法将威尔斯式透平工作范围窄而峰值效率高的特点与我国波浪能能流密度低的资源特征结合起来。本项目以实现威尔斯式透平在低能流密度海域的工程应用为基本目标，以完善实海况条件下透平的机理研究为主要目的，以透平为核心环节，采用数理分析、试验及数值模拟相结合的方法，揭示波浪能能流密度与透平输出之间的关系，重点考察透平在不规则气流输入及转速控制策略下的自启动、滞后等非定常动力响应，探索周期各时刻透平周围流场形态及流固耦合特征，最终提出适合我国波浪能资源特征、综合性能更优的透平设计方案，为工程样机的实用化开发奠定理论基础。

振荡水柱（OWC）波能发电装置是目前波浪能开发利用的重要形式，在全世界获得了广泛应用，如英国的500kW LIMPET装置，葡萄牙的500kW PICO装置和韩国的500kW Yongsoo装置。威尔斯式透平是OWC装置中最常用的能量摄取传递部件，具有结构简单、峰值效率高的优势，但其工作范围窄、自启动性能差且存在失速现象，严重制约了装置的实用化进程。.本项目以实现威尔斯式透平在低能流密度海域的工程应用为基本目标，以完善实海况条件下透平的机理研究为主要目的，基于势流理论、线性系统假设及量纲分析，建立了波浪能能流密度输入与透平不规则气流输入条件的关系，提出了透平非定常性能评价参数；搭建透平非定常性能测试平台，考察了透平在不规则气流输入及转速控制策略下的非定常动力响应，揭示了扭矩系数及输入系数的滞回机理；构建基于滑移网格模型及用户自定义函数功能的气流驱动透平模型，探索了动力输入形式、周期流量通量对透平自启动全过程及性能评价参数的影响规律，考察了失速、气流换向时刻透平周围的非定常流场形态、涡旋脱落情况。通过上述研究，提出了适合我国波浪能资源特征、综合性能更优的透平设计方案，即在透平动叶片尖端安装嵌入式环形结构的设计，为OWC波能电站透平选型提供了有力支撑。.项目出版科学出版社海洋能、可再生能源分类专著一部,在Physics of Fluids, Ocean Engineering, Applied Ocean Research等国际能源、海洋工程权威期刊上发表高水平SCI论文5篇，发表EI期刊论文1篇，申请实用新型专利2项，培养硕士研究生2名。在项目资助下，与英国埃克塞特大学可再生能源水动力模拟实验室建立了长期、深入的合作关系，共同推进海洋工程、海洋能开发利用等方面的国际合作与技术交流；两次参加学术会议并做成果汇报；指导多名本科生参加海洋文化创意设计等大赛，获得国家级奖项2项，省部级奖项5项。项目取得了预期的原创性成果，完成了相关考核指标要求。