海洋潮流能发电系统漂浮载体/水轮机耦合动力响应研究

The problem of hydrodynamic response of the floating body of tidal energy generation system is studied under the coupling interaction between hydraulic turbine and mooring system by the experimental method，numerical simulation and theoretical analysis in the marine environment. That is the effect is studied of the installation type of hydraulic turbine on the dynamic response of floating body and the effect of floating body type on the hydrodynamic performance of turbine and their possible extent in the marine environment. The researches are carried out from the type of floating body, the installation type of hydraulic turbine and coupling interaction, and the influence of hydrodynamic performance and its extent are analyzed by using the towing tank. The main factors that affect the hydrodynamic performance and the roles they play are proved combining viscous flow theory and three-dimensional potential flow theory, and the mechanism of hydrodynamic effect is put forward under the coupling effect of floating body/turbine/mooring system in the marine environment. The multiple factors that affect the hydrodynamic performance are analyzed, the floating body type and the installation type of hydraulic turbine are determined which satisfy the application of engineering, and the operation model is constructed under coupling effect of floating body/turbine/mooring system which is suitable for the marine environment, and the theoretical basis is provided to optimize the floating body geometry type and the turbine layout.

本课题的核心内容是在海洋环境下，主要通过试验方法、数值模拟以及理论分析研究水轮机、锚泊系统耦合作用下海洋潮流能发电系统漂浮载体的水动力响应问题，即在海洋环境下研究潮流能水轮机安装型式对漂浮载体动力响应以及漂浮载体型式对水轮机水动力性能的影响及程度。从漂浮载体型式、水轮机安装型式及其耦合等方面分别开展实验研究，利用船舶拖曳水池，分析水动力性能的影响及程度。结合粘性流理论与三维势流理论分析水动力的影响特点，探明影响水动力性能的主要因素和作用，提出海洋环境下漂浮载体/水轮机/锚泊系统耦合作用下的水动力影响机理。分析影响水动力性能的多种因素，确定符合工程化应用的漂浮载体型式与水轮机安装型式，构建适合海洋环境条件下漂浮载体/水轮机/锚泊系统耦合作用的运行模型，最终为优化海洋潮流能漂浮载体的几何形式与水轮机布局提供理论依据。

以搭载垂直轴水轮机的漂浮式潮流能电站为研究对象，对其水动力特性进行研究。.首先，采用基于动量定理的单盘面多流管模型，对水轮机运动进行数值模拟。分析振荡运动下水轮机主轴所受的载荷，研究不同振荡圆频率和不同振幅对水轮机载荷的影响。发现振荡运动对水轮机载荷影响较大，受迫振荡时水轮机受力峰值产生周期性波动；依据三维频域势流理论，对潮流能电站载体在风、浪、流联合作用下的耦合运动进行分析，研究其在自由状态下的水动力性能。进行水轮机、载体、锚泊系统三者耦合作用下的潮流能电站载体的水动力性能分析。研究发现，水轮机载荷对载体的水动力性能产生很大影响；在水轮机载荷的作用下，载体纵荡、垂荡响应过于激烈，不满足设计要求。通过优化锚泊系统，使其满足设计要求。.其次，对潮流能电站载体在规则波条件下进行模型试验，考虑了在系泊状态下搭载水轮机和不搭载水轮机两种状态。实验对载体在自由状态下的运动特性进行校核，当实验数据与理论计算数据吻合后，针对载体在系泊状态下的运动响应及系泊缆动力特性进行实验研究。实验测量了载体在不同搭载状态和不同波浪参数下纵荡和垂荡运动加速度，分析得到载体在浪、流作用下的运动规律。.最后，开展海水环境下水轮机型式对水轮机水动力特性的影响研究。影响因素包括：叶片预置偏角、叶片密实度、弦长半径比、水轮机叶片安装位置。研究发现：水轮机叶片适当外偏于水轮机的能效利用率有利；在选择叶片数目时应根据各种条件综合考虑；不同弦长半径比对应的水轮机转子力矩系数曲线的峰值点差别不大，随着弦长半径比的增大，转子力矩曲线谷值变大，力矩系数波动变大，输出相对不稳定，水轮机旋转一周的过程中，力矩系数均值变小；从能量利用率的角度出发，叶片安装位置靠近首缘有利，从叶片和转子结构强度、疲劳和振动角度考虑，叶片安装位置靠近中部有利。