潮汐能发电中的水动力学问题研究

On the basis of results achieved, this research evaluates the available tidal energy in the coastal areas of Zhejiang Province and Fujian Province, develops a model which can simulate the tidal current movement through the dam, the power-generation process, sediment transport, and water environment of the tidal power plant, reveals the influence of power-generation process on tidal dynamic conditions of the reservoir area, puts forward the optimal form of tidal power-generation and ways to control sediment in the reservoir area and adjacent zones during power plant operation. This project takes typical power plant as a case, to study the optimal control strategy of the different forms of tidal power-generation, to clarify the optimal relationship between regulation law and operation modes of guide vane and blade of tidal tubular turbine unit. Then based on the turbulence model which can simulate the unsteady effects and multi-scale turbulent structure, this study establishes three-dimensional unsteady turbulent calculation methods in whole flow passage of bidirectional tubular turbine, which considers periodical changes of working head during tidal power-generation process and intermittently conversion of the flow direction, combines non-contact measurement technology of flow field, quantitatively analyze transient stress characteristics of flow components with the influence of variation law of transient flow in the flow passage and Intermittence bidirectional alternating load during bi-directional conversion under multi-operating modes, forms a complete theory and method described the hydrodynamic characteristics in tidal power, and establishes a quantitative evaluation system for the stability of tidal hydroelectric power system. It provides theoretical and technical support for the large-scale development and efficient utilization of tidal power in China.

以已有成果为基础，评估我国浙、闽沿海可用潮汐能状况，开发能模拟潮汐电站大坝上下游潮流运动、发电过程、泥沙输移与水环境的模型，揭示发电对库区海域潮汐动力条件的影响，提出潮汐发电的最优形式和电站运行中水库及毗邻海岸带控制泥沙淤积的方法。以典型电站为对象，研究不同潮汐发电形式的优化控制策略，明确潮汐贯流机组导叶、桨叶调节规律与其运行方式的最优关联关系。进而以能够模拟非稳态效应和多尺度结构的湍流模型为基础，建立考虑潮汐能发电中工作水头周期性持续变化和流动方向间歇性转换的双向贯流式水轮机全流道三维非定常湍流计算方法，并结合非接触式流场测量技术，定量分析双向多工况转换过程中过流通道内瞬变流动参数的变化规律和间歇性双向交变载荷作用下过流部件的瞬态应力特征，形成描述潮汐能发电中水动力学特性的完整理论和方法，建立潮汐水力发电系统运行稳定性的定量评价体系。为国家潮汐能大规模开发和高效利用，提供理论和技术支撑。

海洋潮汐能是规模庞大的清洁可再生能源，其有效开发和利用对解决我国能源短缺和实现节能减排具有重要意义。本项目通过实验测试、机理研究以及数值模型构建相结合的方法，针对我国海洋潮汐能发电中面临的关键水动力学问题开展了深入研究。建立了我国近海潮波模型并评估了我国近海潮汐能的理论蕴藏量；开发了潮汐电站水库堤坝内外潮流水动力学模型和电站出力过程计算模型，揭示了潮汐发电对库区内外海域水动力环境的影响；研究了潮汐电站水域细颗粒泥沙运动机理，获得了泥沙絮凝、沉降、固结、再悬浮和含沙量垂线分布等泥沙特征参数，为潮汐能库区泥沙淤积的有效控制提供理论基础；结合物质输运模型，阐明潮汐电站水库建设运行对海湾水体交换能力和库区内外水环境影响。建立了完整的贯流式水轮机水力性能预估体系及交变载荷下的水轮机瞬态应力特性分析方法；建立了工作水头随潮波周期性持续变化条件下的双向贯流式水轮机内流分析方法并阐明了其对机组发电性能的影响机制；量化分析了贯流式机组甩负荷、飞逸和双向多工况转换过程中内部瞬变流动结构和机组参数的变化规律，并研究了不同调节控制策略的影响。建立了双向贯流式水轮机转轮、尾水管的智能优化设计体系，掌握了高性能潮汐双向贯流式水轮机装备的设计方法；成功研发了双向运行均具备高性能的潮汐能竖井式和灯泡贯流式水轮机，并通过水力模型试验对水力性能进行了测试，为我国潮汐能转换提供了可靠、高效的水力模型。开展了潮汐电站水轮机过流部件耐海水腐蚀和抗空蚀实验研究，为机组长期稳定在海洋中运行提供了基础。.本项目执行期间，获得国家科学技术进步二等奖1项、省部级科学技术进步一等奖1项和二等奖2项；出版专著1部，在国内外学术期刊上发表论文117篇，国际会议论文22篇，其中SCI收录期刊论文36篇，EI收录45篇；授权发明专利40项、实用新型专利24项和软件著作权1项，另有44项发明专利处于实质审查阶段。培养博士研究生10人，硕士研究生45人，以及10多名中青年科技人员。主办国内学术会议2次。本项目研究成果已通过“产、学、研”方式成功应用到了20多座国内外中低水头电站的轴、贯流式水轮机研发中，取得了良好的经济效益和社会效益。