竖轴潮流能水轮机阵机组间水动力干扰研究与排列分析

The domestic tidal current energy generation project is still in the demonstration stage. Only a single turbine does not reflect its engineering value, until the development of the large tidal current energy station with a lot of turbines can embody the economic value of tidal current energy. Therefore, how to rationally arrange the turbines in a limited ocean tidal field is a problem to be solved firstly before large-scale development of the tidal current energy. The hydrodynamic performance and structural response of an array of the vertical axis tidal current turbines are researched in this project through theoretical analysis, numerical simulation and model tests. Given structure forms of tidal current energy turbines, the main contents of present research include three aspects of wake interference between the vertical axis tidal current turbines: (a) the mechanism of wake interference which is concluded from analysis of dynamic structure of the wake; (b) the forms and course of wake interference which are researched by developing a calculation program for predicting hydrodynamic performance and structural response of an array of the vertical axis tidal current energy turbines; (c) the results of wake interference which manifested as the influence law of the distribution form of an array of the vertical axis tidal current turbines on their hydrodynamic performance and structural response. Through the above researching the mechanism of wake interference between the tidal current turbines can be revealed, then considering the energy transition efficiency and bearing capacity of structures of turbines, the basic principles are proposed from the hydrodynamic point of view, which had to follow when the tidal current energy turbines arranged in an array. The results of present research provide the theoretical basis for the development of tidal current energy generation, and can have important guiding significance for realizing the industrialization of tidal current energy.

国内潮流能发电尚处于工程示范阶段。由于潮流能的能量密度低，仅单个水轮机的应用意义不大，拥有大量水轮机的大规模海洋潮流能电站开发才可以体现潮流能利用的经济价值。为此，在有限的海洋潮流场中如何合理排布水轮机是潮流能发电规模化开发之前首先要解决的一个问题。本项目通过理论分析、数值模拟及试验方法研究竖轴潮流能水轮机阵列整体水动力性能和结构响应问题：在给定潮流能水轮机结构形式的情况下，研究水轮机之间的干扰机理——竖轴潮流能尾流动态结构分析；干扰形式和过程——竖轴潮流能水轮机阵列水动力性能和结构响应预报程序开发；干扰结果——竖轴潮流能水轮机布局形式对水轮机阵列整体水动力性能及结构响应的影响规律。通过以上研究揭示潮流能水轮机机组之间的干扰机理，综合考虑换能效率和结构承载，从水动力学角度提出潮流能水轮机阵列排布应遵循的基本原则，为潮流能电站工程开发提供理论依据，对实现潮流能的产业化具有重要的指导意义。

本项目以竖轴海洋潮流能水轮机阵列的优化排布为背景,通过理论分析、模型试验以及数值模拟互相结合的方法,对竖轴水轮机阵列的水动力学问题展开系统地分析和研究。.首先，综合考虑竖轴水轮机的结构特点、工作原理以及工作环境，基于边界元理论发展了一种可以快速预报竖轴水轮机以及水轮机阵列相对换能效率的简化算法；该算法以单个二维翼型非定常运动数值模拟为基础；使用等压Kutta条件和开尔文环量守恒定理封闭控制方程；经过坐标系变换实现直接解析地计算边界元法矩阵系数的积分式；通过给定 初始值使方程线性化；假定尾涡与叶片碰撞以后的新位置和不作处理计算得到的原始位置 (叶片内部位置)关于碰撞点处叶片切向量对称来处理叶片尾涡碰撞问题；同时为验证本方法的精度以及适用性，与相关文献数据及模型试验结果开展了大量细致地比对研究。.其次，本项目在竖轴潮流能水轮机阵列水动力特性边界元方法模型及其数值分析方法的基础之上开发了竖轴潮流能水轮机阵列水动力特性预报程序。详细讨论了速比、密实度、叶片预置偏角等参数对水轮机性能的影响规律；总结了水轮机转子的载荷规律、水轮机的能量利用率变化规律以及尾涡的时空演化规律；详细分析了水轮机阵列中各单体之间的相互干扰现象，深入探讨了水轮机绕流场、尾流、旋转方向等因素对水轮机水动力特性影响的机理、方式和结果。.第三，开展了竖轴水轮机阵列水动力特性模型试验研究,构建了竖轴潮流能水轮机阵列拖曳水池模型试验系统，设计了竖轴水轮机阵列水动力特性测试平台，发展了竖轴水轮机阵列模型的水动力干扰性能试验方案及测试方法，进行了多参数变化情况下竖轴水轮机阵列模型试验研究。根据试验结果分析了竖轴水轮机水动力干扰规律。模型试验研究给竖轴水轮机阵列的水动力学优化布局提供了大量信息,同时试验数据也为数值分析结果提供了可靠的对比数据。.本项目的研究结果对于竖轴潮流能水轮机构型设计及水轮机阵列的优化布局具有重要的指导与借鉴意义。