基于浸入边界法的海流能水轮机水动力学特性及性能研究

Ocean current energy will become an important part of the global clean renewable energy in the future. For this reason , in the project the horizontal axis marine current turbine can be as reasearch suject and some basic research surrounding the key technology for exploitation of marine current turbine will be done. With the idea of immersed boundary method, the entire physical region including ocean current turbine ( including rotating parts and stationary parts of the nacelle and tower , etc. ) as well as the surrounding flow field is described by Euler method, and the entire marine current turbine( including the rotating and stationary parts components ) is described by Lagrangian method,the information exchange between the Lagrangian and Euler variables is achieved by a smooth function approximation.Large eddy simulation is used to solve the govering equations of entire physical region, but the flowing velocity of the near-wall region is reconstructed through the consistent conditions of fluid-solid interface and turbulent boundary layer theory.Numerical simulation and experimental testing are implemented under some complex flow conditions.Researches is maily focus on: (1)The three-dimensional flowing characteristics of the marine current turbine and the downstream wake characteristics of marine current turbine;(2)How is the number of leaves,airfoil blade angle,rotation speed as well as tip speed ratio, etc., affecting power output properties of marine current turbine. Research results are helpful for the optimization of marine and hydrokinetic turbine and highly efficient utilization of marine renewable energy.

海流能将成为未来全球清洁可再生能源的重要组成部分。为此，本项目以水平轴海流能水轮机为研究对象，围绕海流能利用装置研发的关键技术开展相关的基础研究。并借助浸入边界法的思想，用欧拉方法描述包括海流能水轮机（包括旋转部件以及机舱和铁塔等静止部件）以及周围流场在内的整个物理区域，海流能水轮机（包括旋转部件和静止部件）采用拉格朗日描述，Lagrange变量和Euler变量的信息交换通过近似光滑函数实现。整个物理区域采用大涡模拟进行求解，而固体近壁区速度通过满足流固界面一致条件的湍流边界层理论进行重构。通过数值模拟和实验测试，研究各种复杂工况下（1）流过海流能水轮机的三维流动特性以及尾涡结构特征；（2）叶片数、翼型、叶片倾角、旋转速度以及运行尖速比等参数对潮流能水轮机能量吸收性能的影响。研究成果支撑海洋能装置的优化和海洋能的高效利用。

海流能是全球清洁可再生能源的重要组成部分。为此，本项目以水平轴海流能水轮机为研究对象，围绕海流能利用装置研发的关键技术开展相关的应用基础研究。一方面开展高雷诺数下浸入边界法数学模型和数值计算方法的研究，提出了一种近壁区壁面切应力的计算方法和一种基于提高最小二乘法的近壁区速度重构模型，并对这些模型开展了大量的数值验证工作，证实数学模型和数值方法的可靠性。另一方面，结合浸入边界法的数学模型和数值方法的研究成果，开展了相关的应用基础研究。首先研究了非正（余）弦主动与半主动摆动下不同运动模式对仿生水翼能量输入和输出特性的影响，在非余弦半主动摆动模式下，最高获能效率达到 51.81% 。其次，开展了海流能水轮机叶片翼型断面的优选，利用Wilson设计法完成设计功率为20kW的海流能水轮机叶片的三维设计，探讨了变桨距角下海流能水轮机的水动力学特性以及水轮机叶片的应力应变特性，研究结果发现，在一定的桨距角范围内，增大桨距角，有利于低转速下启动水轮机，流速过大时，增大桨距角可有效减小轴向荷载及叶片的形变和应力。最后，自主设计和优化了两款微型水动力涡轮（直径分别2米和0.5米），研究了其在设计工况、非设计工况以及不同桨距角下的水动力特性和能量获取特性，以及瞬态水动力学特性，并开展了相应的实验测试工作和性能验证工作，取得的最高获能效率分别为25.2%（直径2米裸水动力涡轮）、44.2%（直径0.5米的裸水动力涡轮）和66.8%（直径0.5米的导流罩水动力涡轮）。.总之，上述研究成果不仅丰富了浸入边界法的理论研究，促进了浸入边界法在流体机械及新能源领域的应用基础研究，同时研究成果有益于海流能水轮机装置的设计和优化以及提高海流能的利用效率，为能源可持续发展提供技术支持。