潮流能发电装备叶片之间非线性水动力响应研究

Utilizing tidal current energy is regarded as one of the most promising renewable energy technologies.The technology used to convert tidal current energy to electric energy is called tidal current turbine, which shares similar principle to the wind turbine. However, the physics of fluid behind these two technologies are quite different due to difference of the viscosity and density. The blade of tidal current turbine is driven by unsteady flows, while the motion of the blade also affects the flow around and thus leads to hydrodynamic interaction between blades. This interaction significantly affects the performance and reliability of the turbine, but no theory has been developed yet. Thus, it is very important to understand the physical phenomenon thoroughly. To achieve above goal, this proposal suggests an effort combines theoretical derivations, numerical simulations and experimental tests with the following four tasks: 1) development of a new experimental test method to study the fundarmental principle the dynamics of the hydrofoil, by using PIV,pressure sensors and other instruments; 2)Deriving the formulation describing the nonlinear interaction between hydrofoils to study the correlation between vortex dynamic and blade response, reveal the principle of the balde dynamics and develop the theory;3)analyzing the flow field around the blade so as to understand the physics of the flow field' impact on blade better; and 4) analyzing the relationship between blade dynamics and loads to study the nonlinear interaction between blades, in particularly the dynamic stall phenomena. This project is expected to provide some fundamental contribution to future tidal current turbine design, and to provide some insight to other relevant research topics.

潮流能发电装备被认为是未来10年最有希望的替代能源之一。此装备的工作机理类似于风力发电机，但却有着极为独特的物理特性。其叶片间的响应过程直接影响了设备的功效和可靠性，但却没有相关理论。为揭示其机理，本项目拟展开以下四方面的理论、数值模拟和实验研究： 一、在循环水槽中，使用先进的粒子成像技术和压电元件等新型传感器，发展新的实验方法，揭示叶片动态响应的物理机理，并为验证理论开发打下基础。二、结合非粘性流体中叶片理论和扑翼理论，重新推导潮流能装备叶片的水动力响应动态方程，研究非定常情况下的叶片和涡街之间的响应和涡动态过程。揭示叶片间响应的动态原理,根据实验结果的分析，建立相应理论和数值方法。三、结合实验和理论，分析叶片周围流场的变化，对叶片和环境流体的响应有更基础的认识。四、根据叶片动态响应和载荷，深入剖析叶片间响应的机理，特别是其动态失速的特性。为今后的潮流能装备总体设计工作做出贡献。

开发利用海洋潮流能，是国家实现可持续发展的重要方面。潮流能装备叶片间的水动力响应是非线性、非定常流固耦合问题，涉及流动分离、空化和湍流等物理过程。这些复杂现象对叶片及潮流能装备性能有很大影响。目前的理论方法对叶片流场响应特性的描述不够具体，无法用于装备的具体优化设计；实验和CFD方法广泛应用则面临成本问题。针对叶片响应非线性水动力特性的分析和认识亟待加强，开展理论、数值和实验相结合的研究势在必行。 .为揭示潮流能发电装备叶片之间非线性水动力响应的机理，本项目展开了以下四方面的研究，并取得重要结果：一、开展潮流能叶片水动力学叶片响应理论以及涡流理论的基础研究，基于自由离散涡方法开展的数值模拟方法研究，加强了对非定常流动的描述。二、开展潮流能装备叶片间响应的实验技术研究，包括开发叶片俯仰运动控制器，设计叶片力学性能同步测量方案等，进而研究雷诺数、叶片振动和多叶片分布等对叶片周围流场的动力学影响。三、对潮流能叶片非线性水动力学进行数值研究，包括对水平轴和垂直轴潮流能水轮机的数值模拟，还使用了StarCCM+等CFD软件对潮流能水轮机和叶片串行情况进行模拟。四、基于理论、实验和模拟工作，开展叶片载荷与响应的研究，刻画不同工况（特别是动态失速）叶片的载荷变化，建立非定常流动下尾流涡街和叶片载荷，以及叶片间瞬态响应的内在关系。基于本项目资金资助，上述研究结果已撰写学术论文，并被录用或发表为22篇期刊论文（top期刊论文5篇），其中SCI1区4篇，2区1篇，3区6篇，4区5篇，中文核心5篇；14篇会议论文，其中12篇EI检索。.综上所述，本项目针对我国目前对潮流能装备的迫切需要，克服了潮流能装备叶片间响应理论不足的问题，把潮流能发电装备叶片性能提升这一工程技术问题深化到一个更基础的层次，利用理论探寻其物理本质，结合实验分析其变化过程，加以数值模拟，在基础和应用两个层面都做出国际领先的成果。