流动干涉作用下的对转式潮流能水轮机尾流特性研究

Tidal current is an ideal renewable energy source with abundant reserves in China. The efficient exploitation of tidal energy is of great significance to China's energy strategy. The research object of this project is a new type of counter-rotating horizontal-axis tidal turbine, including two sets of relatively rotating impellers adjacent to each other. During operation, different degrees of flow interference occur between the front and rear impellers, which makes the external characteristics and flow characteristics of the counter-rotating turbine significantly different from the conventional one. The project intends to reconstruct the research idea of the counter-rotating turbine with the flow interference as the key, and carry out in-depth research on the wake characteristics under the influence of interference. (1) At the level of blade element, the coupling calculation model is modified for the special structure and special working conditions of the counter-rotating impeller. (2) At the level of impeller, the global flow field calculation in the wake is carried out to reveal the effect of flow interference caused by different matchings of impeller parameters on wake characteristics and energy conversion mechanism. The correlations between geometric parameters, flow characteristics and energy conversion are established. (3) At the level of turbine unit, the wake flow is optimized by interference strengthening, and balance between power enhancement and wake suppression is obtained. The research will provide theoretical support for the improvement of the comprehensive performance of the counter-rotating tidal turbine.

潮流能是一种理想的可再生能源，在我国储量十分丰富，潮流能的高效利用对我国能源战略意义重大。本项目的研究对象是新型的对转式水平轴潮流能水轮机，包括前后两组紧邻的相对旋转的叶轮。机组在运行过程中，前后叶轮会产生不同程度的流动干涉，使机组外特性与流动特性显著区别于常规单叶轮。项目拟以流动干涉为核心重新构建对转式叶轮研究思路，对干涉作用下的尾流特性展开深入研究。（1）在叶素层面，针对对转式叶轮的特殊结构和特殊工况，修正耦合计算模型；（2）在叶轮层面，通过叶尾区全流场计算，揭示叶轮结构参数的不同匹配造成的流动干涉对尾流特性与获能机理的影响规律，建立结构—流动—能量转化三者间的关联；（3）在机组层面，通过强化干涉的方式对叶尾区流动进行优化，在功率强化与尾流抑制两个方面实现平衡，为对转式潮流能水轮机综合性能的提升提供理论支撑。

潮流能是一种理想的新型可再生能源，在能源问题日益突出的今天，潮流能的高效利用对我国能源结构升级和可持续发展具有十分重要的战略意义。本项目针对近年来出现的一种新型对转式水平轴潮流能水轮机展开研究，构建适用于对转式叶轮的计算模型，对叶尾区流动特性进行深入分析，并利用强化干涉的方法实现尾流特性的优化，主要研究内容及创新性成果如下：.1. 建立了一种基于贝塞尔控制点的叶素翼型设计与叶片结构设计方法，采用贝塞尔曲线拟合二维翼型边沿及叶片的弦长和扭角分布，通过优化算法对拟合误差进行最小化调控，实现了高精度参数化建模。项目得出的设计方法可以应用于风力机、水轮机、旋转水力空化、射流系统等结构的参数化建模。.2. 揭示了对转式叶轮的能量转化机理，完成了二维翼型表面的压力及绕流特性分析，完成了三维叶片表面的压力分析，破解了从叶素到叶轮的能量传输规律，建立起了对转式叶轮的内外特性关联机制。项目得出的结论可应用于对转式旋转机械的功率提升和性能优化。.3. 获得了对转式潮流能水轮机尾流特性及其演化规律，阐明了尾迹区的速度和能量分布，得出了不同工况、不同叶轮匹配模式间的相互作用。项目得出的结论可应用于风力机及水轮机环境影响评估及阵列布局优化。.4. 构建了一种基于遗传算法的多目标优化体系，该方法综合考虑了多种工况下的优化目标，通过方差化处理，将其融入优化体系中，为翼型及叶轮在流动干涉作用下工作性能的提升提供了技术方案。