近水面水平轴潮流能水轮机水动力特性及机理研究

Tidal current energy is one kind of clean and contaminated marine renewable energy, which has become research focus recently. In order to take advantage of high surface velocity, so as to obtain maximum tidal current energy, the horizontal axis tidal current turbine works beneath of the water surface suffering free surface, wave and current probably, which will bring about more complicated flow filed around turbine. The project studies on the mathematical model of flow filed around horizontal axis turbine when wave and current are presented. Vortex method based on potential flow theory will be used to set up hydrodynamic model to study on the mechanism of turbine; a fast and accurate numerical method will be developed; model test will be conducted to validate the accuracy of numerical method and reveal the mechanical mechanism and law of hydrodynamic performance of turbine, when wave and current are presented; data obtained from model turbine and full scale turbine will be compared to discuss the scale effect, and accurate relationship between model and full scale will be obtained. The result of this project will be the basement of developing and designing on efficient and reliable horizontal axis turbine, which will be significant in theoretical and practical.

潮流能作为一种清洁无污染的海洋可再生能源，已成为国内外研究的热点。为了充分利用表面较高的流速，最大限度的捕获潮流能，水轮机越来越接近水面，这样在自由面、浪及流等环境下，水轮机的周围流场变得非常复杂。本项目重点研究浪流作用下水平轴潮流能水轮机的水动力特性的数学建模问题。通过基于势流理论的涡方法建立潮流能水轮机的水动力数学模型，研究浪流作用下水轮机运动规律及其流体特性变化机理，形成一套快速有效地水平轴潮流能水轮机水动力特性的数值计算方法；通过模型试验进一步揭示浪流作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能的力学机理，获得实验数据为理论预报方法的建立和数值计算结果的验证提供可靠依据；基于模型试验数据与样机海上实测数据，探索由尺度效应所导致差异的规律和原因，建立模型和实型数据之间较为准确的相似关系。项目的完成将为开发高效可靠的水平轴潮流能水轮机提供设计依据，具有非常重要的理论与实际意义。

本项目针对水平轴潮流能水轮机在近水面环境下的水动力性能开展理论和试验研究。在模型试验方面，针对水平轴叶轮，在船模拖曳水池开展了系列模型试验，试验研究为水平轴叶轮水动力学设计提供了大量有价值的信息，同时试验结果也为数值模拟方法的有效性验证提供了可靠的数据。在数值模拟方面，通过与试验结果的对比，验证了水平轴叶轮CFD数值方法的有效性。在此基础上，通过CFX软件的二次开发，形成了一套主轴发生摇荡运动时水轮机运行的CFD数值模拟的快速有效方法。.针对单自由度运动时水平轴叶轮运行的水动力问题，基于CFD方法，对单自由度摇荡（纵荡和横摇）运动时水平轴叶轮运行的水动力性能进行了数值模拟，得到了水平轴叶轮在主轴发生单自由度运动时轴向力和力矩系数的变化规律。.在水平轴叶轮水动力系数计算方面，提出了一种基于CFD方法和最小二乘法原理的计算方法。将水平轴叶轮主轴单自由度摇荡运动时水动力载荷的CFD计算结果，分解成均匀流水动力、与摇荡速度相关的阻尼力及与摇荡加速度相关的附加质量力，从而得到水平轴叶轮的水动力系数。通过比较不同摇荡频率、摇荡幅值及转速下的水动力系数，得出了摇荡频率、摇荡幅值及速比对叶轮水动力系数的影响规律。在此基础上总结归纳出了水平轴叶轮旋转和纵荡耦合运动水动力特性的近似预报方法，并验证了其有效性。.针对水平轴叶轮旋转、纵荡和横摇耦合运动时的水动力问题，基于CFD方法，对旋转、纵荡和横摇耦合运动时的水动力性能进行了数值模拟，得到了水平轴叶轮在主轴发生多自由度运动时轴向力和力矩系数的变化规律。.针对水平轴叶轮在波浪中的水动力问题，基于CFD方法，对叶轮在波浪中运行时的水动力载荷进行了数值模拟，通过改变波浪的幅值及周期来模拟不同参数的波浪，研究波浪周期和幅值对水平轴水轮机水动力特性的影响，阐明不同周期和幅值对水平轴叶轮水动力特性的影响规律。