真实潮流作用下潮流能水轮机的水动力特性研究

As the most promising tidal energy device, the tidal current turbine works in the tidal inflow, which leads to a significant fluid-structure interaction problem and it is the key to understand and analyze the principle of the turbine. However, no one has got the key yet and that is the reason why the prototype power is always less than that obtained from the numerical simulation and thus the industrial development is slow. Therefore, we propose this project to extensively study the fundamentals of the fluid-structure interaction of the turbine rotor under real tidal inflow by using a set of mechanical theories and methods. Specifically, we will develop the flow theory in the tidal channel, analyze the rotor’s loads and dynamics, and discuss the wake characteristics of passive rotator with considerable energy conversion and dissipation for solving the following scientific problems: 1) disturbance amplitude and frequency characteristics of the tidal inflow; 2) interaction between the rotor and inflow; 3) the evolution of the rotor’s wake. Furthermore, via this project, we will also enrich the fluid-structure interaction numerical and experimental approaches of the tidal current turbine under real tidal inflow, and theoretically contribute to its application in the future.

作为最有前景的潮流能转换装备，水轮机叶轮在潮流中工作，有着较强的流固耦合特征。叶轮的水动力特性是深入认识和科学分析水轮机技术特征的关键科学问题。而迄今为止，缺乏针对本问题的深入力学研究，是致使海试样机的功率大大低于数值模拟的功率，也是潮流能产业没有得到快速发展的重大原因之一。为此，本项目将针对潮流能水轮机叶轮在真实潮流中的流固耦合问题，拟采用力学理论和方法，分析潮流来流的扰动幅度和频率特性，研究叶片受力与叶轮运动，探讨伴有大量能量获取（耗散）的被动旋转体尾流力学特性，从而发展潮流水道内潮流流动理论，并揭示来流与水轮机叶轮动态耦合机理以及水轮机叶轮尾流的演化机理。进而通过本项目丰富、发展真实潮流作用下潮流能水轮机的流固耦合计算与实验方法，为潮流能水轮机的应用奠定理论基础。

作为最有前景的潮流能转换装备，水轮机叶轮在潮流中工作，有着较强的流固耦合特征。叶轮的水动力特性是深入认识和科学分析水轮机技术特征的关键科学问题。而迄今为止，缺乏针对本问题的深入力学研究，是致使海试样机的功率大大低于数值模拟的功率，也是潮流能产业没有得到快速发展的重大原因之一。为此，本项目针对潮流能水轮机叶轮在真实潮流中的流固耦合问题，开展了以下三方面研究：一、完成了潮流水道中来流的时空特征的数值模拟及分析，分析了水道内各个方向流动速度的瞬时变化及其特性、瞬时速度变量在空间上的相关性、主要来流方向速度变化的极限值、剪切流的强度等，获得了针对水轮机的扰动幅度临界值；二、开展了真实环境下潮流与水轮机运动耦合机制以及力学模型的研究，着重分析了潮流水道内水轮机叶片的压力分布与泄涡现象，获得了不同来流条件下叶片上压力分布变化的规律、不同来流条件下泄涡的形式和空间分布特征，建立了潮流水道内精确的水轮机力学模型，并分析了水轮机不同运行状况下的近壁面的流场变化、扰流特征和载荷变化等；三、对伴有大量能量捕获（耗散）的被动旋转体尾流演化过程进行了系统分析，获得了潮流能水轮机尾流从离开叶轮有产生、生长、扩散，直到最后融合在环境流场中消失的过程中的非定常演变特性，获得了水轮机能量转换与初始尾流的力学特性的关联机理，揭示了尾流和复杂环境流场的混合机理，获得了尾流的稳定性变化、尾流湍流强度在空间上的相关性变化以及尾流主扩散方向上临界值的变化规律。本项目发展了被动旋转体在潮流作用下的水动力理论和方法，深入阐述了潮流能水轮机在潮流作用下所受的载荷特征，揭示了被动旋转体的运动规律，并分析了其尾流和环境流场相融合的物理过程，为潮流能水轮机的大规模发展奠定了理论基础。