波流共同作用下水平轴潮流能水轮机水动力特性
阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析
阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析宋科;康宇驰【期刊名称】《水力发电学报》【年(卷),期】2023(42)1【摘要】水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。
传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。
为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。
结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。
此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。
以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。
与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。
流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。
此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。
研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。
【总页数】9页(P139-147)【作者】宋科;康宇驰【作者单位】昆明学院机电工程学院;昆明学院云南(昆明)沈卫明智能制造技术院士工作站;昆明理工大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TK730.2【相关文献】1.并排水平轴潮流能水轮机组水动力特性研究2.波流共同作用下水平轴潮流能水轮机水动力特性3.水平轴海流能水轮机叶片水动力学特性分析4.变桨距角下水平轴海流能水轮机水动力特性及结构性能5.水平轴潮流能水轮机尾流特性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水平轴海流能水轮机叶片水动力学特性分析
中国水运 China Water Transport
Vol.19 October
பைடு நூலகம்
No.10 2019
水平轴海流能水轮机叶片水动力学特性分析
尹锐
（昆明理工大学 津桥学院，云南 昆明 650106）
摘 要：针对非定常情况下的三维叶片进行了水动力学特性分析，分别对叶片的功率系数、扭矩系数、轴向力系数、
CFY
0.03 0.02 0.01 0.00 -0 .0 1 -0 .0 2 -0 .0 3
9.5
C FY-b1 C FY-b2 CFY
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
t/s
a.Y 方向
0 .0 3 0 .0 2 0 .0 1
C FZ-b1 C FZ-b2 CFZ
0 .0 0
C
FZ
-0 .0 1
CF
0.623
CF
0.622
0.621
0.620
0.619
0.618
0.617
0.616
0.615
0.614
0.613
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
t/s
a.叶片的轴向力系数
0.6
CF-b1
CF-b2
CF
0.5
CF
0.1
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
t/s
b.各对象的轴向力系数 图 5 轴向力系数
4．侧向力系数 各对象的侧向力系数在 Y、Z 方向上随时间变化的曲线 如图 6 所示。由图可知，不同研究对象的侧向力系数随时间 呈周期性变化，周期即为叶轮旋转周期。叶片背流面较叶片 迎流面的侧向受力系数的振荡幅度更大，说明叶片背流面的 漩涡脱落现象更明显。而整个叶片的侧向力系数的振荡幅度 较小，且峰值与谷值绝对值相等，符号相反。
潮流能开发利用现状与关键科技问题研究综述
第49卷第3期2021年5月河海大学学报(自然科学版)Journal of Hohai University(Natural Sciences)Vol.49No.3May 2021DOI :10.3876/j.issn.10001980.2021.03.004 基金项目:国家自然科学基金面上项目(51879098);海洋可再生能源专项(GHME2017YY01)作者简介:张继生(1979 ),男,教授,博士,主要从事海洋可再生能源工程研究㊂E⁃mail:jszhang@引用本文:张继生,汪国辉,林祥峰.潮流能开发利用现状与关键科技问题研究综述[J].河海大学学报(自然科学版),2021,49(3):220⁃232.ZHANG Jisheng,WANG Guohui,LIN Xiangfeng.A review of recent development and key technology problems in utilization of tidal stream energy [J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2021,49(3):220⁃232.潮流能开发利用现状与关键科技问题研究综述张继生1,2,汪国辉2,林祥峰2(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098)摘要:针对潮流能这一海洋可再生能源的热点问题,总结了潮流能资源的分布现状,梳理潮流能发电装置的分类,介绍了当前国内外主要的潮流能示范工程㊂从潮流能资源评估㊁潮流能装置的安全稳定㊁转换效率与多能互补㊁尾流效应㊁潮流能阵列发展及带来的环境问题等几个方面探讨潮流能发展中的关键科技问题,指出发展潮流能的可行性和必要性以及当前面临的问题和挑战㊂关键词:潮流能;示范工程;稳定性;阵列布局;环境效应;综述中图分类号:P743.1 文献标志码:A 文章编号:10001980(2021)03022013A review of recent development and key technology problems in utilization of tidal stream energyZHANG Jisheng 1,2,WANG Guohui 2,LIN Xiangfeng 2(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Coastal Disaster and Protection ,Hohai University ,Nanjing 210098,China ;2.College of Harbor ,Coastal and Offshore Engineering ,Hohai University ,Nanjing 210098,China )Abstract :The utilization of tidal stream energy has become one of the hot research topics in the field of ocean renewable energy.In this study,the distribution status of tidal stream energy resource and classification of tidal stream energy converter (TSEC)were summarized,and the current main demonstration projects of tidal stream energy at home and abroad were introduced.The key technologies of TSEC including the assessment of tidal energy resources,the safety and stability of TSEC,the utilization efficiency and multi⁃complementary of ocean renewable energy,the wake effect,and the environmental impacts of TSEC array have been discussed.Although the development of TSEC is feasible and necessary,there are still many challenges and difficulties to be solved.Key words :tidal stream energy;demonstration project;stability;array deployment;environmental impact;comprehensive review世界气象组织发布的2019年‘温室气体公报“中指出,大气中二氧化碳浓度达到4.078×10-4mg /L,再次刷新了纪录,为1750年工业化前水平的147%㊂如何减少全球的碳排放量和控制全球变暖所带来的一系列气候环境问题已经成为全人类面临的重大挑战㊂作为经济大国,高速发展带来的巨大能源消耗也使得我国的碳排放形势相当的严峻㊂合理地改善能源结构,加大清洁能源在能源消费中的占比迫在眉睫㊂蕴藏量极其丰富的海洋可再生能源已然对于改善能源结构㊁控制气候变暖和解决环境污染问题具有重要意义㊂潮流能作为海洋可再生能源中的重要组成部分,相比其他海洋能而言,其具有较强的规律性和可预测性[1],且潮流能开发利用装置一般安装在海底或漂浮在海面,无须建造大型水坝,对海洋环境影响小,也不占用宝贵的土地资源㊂与风能和太阳能相比,潮流能的能量密度高,约为风能的4倍㊁太阳能的30倍[2]㊂为提高海洋能开发利用能力,推进海洋能技术产业化,拓展蓝色经济空间,在 十三五”期间(2016 2020年)出台的海洋经济发展规划[3]中,更是把绿色发展作为海洋经济发展的基本原则之一,这些都为我国开发利用潮流能提供了有利条件㊂古往今来,对于潮汐潮流现象的观察㊁记录一直都存在,直到20世纪70年代,人们才开始逐步探究潮流能的开发利用问题,随后美国㊁英国等国家对潮流能发电技术进行了不断的完善和发展㊂我国也在同时期逐122第3期张继生,等 潮流能开发利用现状与关键科技问题研究综述步开展潮流能的相关研究,并取得了显著进展㊂本文将从潮流能资源分布现状㊁潮流能发电装置和示范工程以及关键科技问题等方面对潮流能发展作一个综述㊂1摇潮流能资源分布现状潮流能是指月球和太阳的引潮力使海水产生周期性的往复水平运动而形成的动能,发电原理是将水流中的动能通过装置转化为机械能,进而将机械能转化为电能[4]㊂适宜开发潮流能的区域通常是指流速峰值大于2m/s的位置,发电装置通常在潮流流速为0.8m/s时启动㊂开阔海域的潮流速度通常仅为0.1m/s,但潮波与邻近陆块之间的岬角㊁岛屿和狭窄海峡等海岸地形的相互作用可使得流速超过2m/s㊂因此,合适的地点位于沿海水域且高度局部化[5]㊂根据亚特兰蒂斯能源公司的报告,潮流能在全球范围内储量超过120GW[6]㊂对于潮流能资源的评估,国内外学者提出了许多不同的评估方法,在国际上大致可分为2种[7]:一是基于动能通量的方法,其中以Farm方法[8]与Flux方法[9]为典型;二是基于动力分析的方法,具有代表性的是Garrett方法[10]以及Vennell方法[11]㊂基于动能通量的方法因其计算思路清晰,容易理解,在实际应用较为广泛,但是存在着较大的不确定性㊂而后者对潮流能开发的条件引入了多种假设,尽管基于众多假定,该方法仍不失其物理意义,但其可靠性还需要更多实践的检验㊂评估可用的潮流能资源是工程选址和装置部署的关键第一步㊂然而,选址并不是简单地确定潮流流速大的区域,还要考虑资源的时间和空间变异性,根据欧洲海洋能源中心(EMEC)的潮能资源评估指南[12],根据评估的范围和精细程度,潮流能资源评估可分为4个阶段㊂第一阶段是 区域评估”,即在区域或国家层面进行评估,目的是通过数值模拟了解潮流能资源的规模和特点㊂第二阶段是 预可行性研究”,详细探讨之前在区域范围内确定的具体资源位置㊂在这一阶段,基本采用现场调查和数值模拟相结合的方法㊂对于这2个阶段,建议至少模拟2~4个分潮30d的时间㊂第3和第4阶段分别是 完全可行性研究”和 设计开发”阶段,包括详细的经济模型和最终设计开发㊂较早的潮流能资源评估出现在欧洲,英国㊁法国㊁西班牙㊁爱尔兰㊁挪威等国海域都有着丰富的潮流能资源,相关政府也出台了一系列潮流能政策促进资源开发,其中英国拥有绝佳的潮流环境与先进的技术支持,其潮流能发展走在世界前列㊂在资源开发方面,根据欧洲海洋能组织(OEE)的统计,截至2019年底,欧洲潮流能总装机容量达27.7MW,大约为世界其他地区的4倍㊂英国碳信托基金(CT)委托开展了多项海洋能资源评估研究[13],据估计,仅潮流能一项就可在英国1450km2的水域范围内每年提取18TW㊃h,这将满足英国现有电力需求的5%㊂Blunden等[14]总结指出由能源技术支持单位(ETSU)的调查结果表明,英国年潮流能开发总量大约为57639GW㊃h㊂欧盟委员会(EC)对英国的潮流能调查表明英国总潮流能为8900MW,年输出总潮流能约为30910GW㊃h㊂以位于英格兰大陆北部与Orkney群岛之间的Pentland湾为例,该海域潮流能资源丰富,有着流速峰值接近5m/s的潮流,且基本不受波浪的影响,可以说是世界上最有前景的潮流资源开发区域㊂Murray等[15]评估了英国Pentland湾可利用的潮流能资源,研究发现在一个M2分潮周期内潮流能的可提取最大值达10.8GW,平均值可达4.9GW㊂Draper等[16]模拟预测了整个海湾可提取约4.2GW的功率,Defne等[17]考虑了潮流能水轮机能从Pentland湾提取的功率上限,评估了该地区实际可利用潮流能资源,估计最大可用功率约1.9GW,当前该区域已有多个潮流能示范工程项目㊂近些年来,英国潮流能发展迅速,先后出台了‘海洋能源行动计划“‘英国海洋能技术路线图(2014)“等政策㊂2020年以后,将会大规模部署潮流能水轮机阵列装置,这将有助于政府实现到2050年减少80%碳排放的政策目标㊂法国的潮流能资源主要分布于临大西洋一侧,Campbell等[18]通过区域应用模型在法国临大西洋侧的海域中选出了20处适合潮流能开发的海域㊂当仅考虑开发潮流平均流速大于1.5m/s的海域时,使用高㊁低效率的潮流能水轮机阵列,潮流能总可开发量分别为9.71GW㊁1.46GW;当考虑开发潮流平均流速大于0.5m/s的海域时,使用高㊁低效率的潮流能水轮机阵列,潮流能总可开发量分别为16.58GW和2.49GW㊂法国政府同样支持海洋可再生能源领域的研究,除了资助法国国家海洋能研究所发起建立的联盟研发计划以及地方项目,为了促进法国潮流能与海上风电等新能源产业发展,地方政府在临海多地投资港口设施建设,从而为在新码头区建设发电厂提供了足够的空间㊂根据欧盟委员会的非核能项目估计,欧洲总体可利用的潮流能资源高达12.5GW[19]㊂当前,欧洲多国政府达成共识,组建了多个潮流能试验场用以支持欧洲海域潮流能开发工作,其中包括英国的ECMC欧洲222河海大学学报(自然科学版)第49卷海洋能中心㊁爱尔兰的Galway试验基地以及丹麦的Nissum Breding测试中心等㊂除了欧洲地区,北美各国也开展了潮流能资源的评估,美国电力研究协会完成了北美沿岸潮流能资源评估研究报告[20],该评估采用Flux方法,结果表明美国阿拉斯加的Cornik湾㊁华盛顿的Tacoma海峡㊁加利福尼亚的Golden Gate水道以及加拿大Minas水道都是潮流能资源丰富的区域,是较为理想的开发选址㊂Hagerman等[21]对美国的潮流能资源进行了区域评价,划出了最大平均动能密度超过500W/m2的区域㊂美国历来将能源安全作为其重要的国家战略,美国可再生能源联盟于2010年发布了‘国家海洋和水动力可再生能源技术路线图“,提出至2025年海洋可再生能源装机容量达到100MW,当前,美国在海洋和水力可再生能源方面支持项目超过了70个㊂加拿大国家研究委员会水利中心基于潮汐潮流数据库的实测资料并借助Tide2D潮流模型的模拟结果,通过Flux方法计算了潮流能平均能流密度和潮流能理论年平均功率,评估结果表明加拿大沿岸约有190个潮流能理论平均功率在1MW以上的水道,潮流能理论年平均功率的总和超42GW,其中潮流能资源储量最丰富的海域位于Mill岛和Salibury岛之间,理论平均功率可达10.42GW[22]㊂加拿大政府设立了海洋可再生能源装机容量于2020年达到250MW㊁2030年将达到2GW的目标[23],并建立了一个世界领先㊁并网㊁共享的潮流能示范中心 芬迪海洋能源研究中心㊂在亚洲地区,Kim等[24]对韩国西南海岸进行了大量的潮流观测,发现Uldolmok海峡具有最大的潮流流速,最大可达6.5m/s;韩国海洋研究发展院对Changjuk和Hoenggan海峡的潮流进行了观测和研究,利用平面二维潮流数值模型模拟了韩国西南沿海潮流特性,得到潮流能理论储量约5900MW,经济可利用储量为470MW㊂我国海域辽阔,各海域潮流能资源分布情况存在较大差异[25]㊂我国沿岸潮流能平均功率密度分布情况如下:东海沿岸是以半日潮为主的海岸线,浙江沿岸与舟山群岛之间水道众多,极大增强了潮流流速,水下多为基岩且水深足够,尤其以龟山航门㊁西堠门水道㊁杭州湾北部等处,属于潮流能资源丰富区,实测最大流速可达3.4m/s,被认为是我国潮流能开发利用的理想场所㊂侯放等[26]对比分析了舟山群岛最大潮流流速超过2.5m/s的8处水道的潮流能分布状况,结果表明该海域重要水道的潮流能理论蕴藏总量约1400MW,其中在资源丰富的重要水道的技术可开发总量约200MW㊂其次,福建沿岸也有着较为丰富的潮流能资源㊂例如,金永德等[27]对福建莆田南日岛附近海域进行了潮流能估算,得到该海域大潮期间可开发潮流能功率在0.5~1.0MW之间,小潮期间可开发潮流能功率在0.2~0.4MW之间㊂福建还有三沙湾口㊁罗源湾口等处流速较大,海况平稳,具有较为优越的开发环境㊂渤海海峡位于辽东半岛和山东半岛之间,其中潮流以规则半日潮和不规则半日潮为主,大部分海域的流速约0.5~1.0m/s㊂但在老铁山角附近海域存在超过2m/s 的大片海区,武贺等[28]指出老铁山北侧近岸海域最大可能流速约2.5m/s,平均能流密度超过500W/m2,具有可开发的价值㊂另外,吴伦宇等[29]计算模拟得出老铁山有的区域超过了3m/s,最大值为3.3m/s,这也是渤海海峡模拟的最大流速,潮流能流密度超过100W/m2的区域就高达515km2㊂与此同时,位于山东沿岸的北隍城北侧与成山头外的两处海域最大流速超过了2m/s,能流密度超过4kW/m2㊂杨利利[30]采用Flux方法估算得到成山头外海域潮流能的总蕴藏量为122.85MW,可开发量为18.43MW,并且海域潮差小㊁离岸较近,适宜开发㊂南海大部分海域潮流流速小于0.5m/s,只有琼州海峡和珠江口等少数地区潮流流速大于1m/s,能开发的区域主要位于琼州海峡,琼州海峡内大部分海域最大可能流速都超过2.4m/s,表层大潮年平均功率密度大于1500W/m2,开发区离岸10km以内海域作为优先开发利用区域,该区域面积可达192W/m2,具有广阔的开发前景[31]㊂在1986年,国家海洋局部署开展了对海洋能源储量的调查,在‘中国沿海农村海洋能资源区划“中统计了我国130个水道潮流能的资源[32],我国沿岸潮流能理论平均功率为13950MW,其中大部分都在东海沿岸,占可利用潮流能总量的78.6%㊂其中浙江沿岸37个水道,理论平均功率为7090MW,占全国总量的一半以上,其次为福建㊁山东㊁辽宁㊁海南等地㊂在2004年,国家海洋局开展了我国近海海洋综合调查与评价专项(简称908专项),进一步摸清了我国近海99条主要水道中潮流能蕴藏量为8330MW,技术可开发量为1660MW[33⁃34]㊂我国的潮流能主要分布在东海沿岸,如舟山群岛有着众多的水道,且其流速㊁地形条件较为优越,能供潮流能站址选择余地大,当前已有不少研究机构和企业在此建设了多个潮流能示范工程项目㊂在政策方面,我国于2012年首次将海洋能纳入 五年规划”,将发展海洋能产业提升到国家战略层面,充分展现322第3期张继生,等 潮流能开发利用现状与关键科技问题研究综述了我国发展可再生能源的强烈愿景㊂在装机容量方面,截至2019年6月底,我国潮流能电站总装机容量达2.8MW,累计发电350万kW㊃h[35]㊂2 潮流能发电技术与示范工程自潮流能发电的概念逐步受到关注以来,发电技术便得到不断的发展和完善,国内外针对潮流能发电技术做了很多研究工作,也陆续建设了一些示范工程㊂2.1 潮流能发电装置潮流能发电装置在开发过程中,逐渐研发出多种不同的结构形式,其中根据来流的流向与水轮机装置转动轴的位置关系,可分为水平轴式水轮机和垂直轴式水轮机,还有通过支撑臂摆动来获能的振荡水翼技术等[36];现有的多数潮流能装置采用直接固定于海底的方法,这样更有利于获能的稳定,但如果需要在离岸较远㊁水位较深的地方安装装置,则需采用漂浮式结构以便于安装和节约成本㊂利用天然潮流所带来的动能推动装置发电的技术可以避免如潮汐发电站或水电站需要修建堤坝与配套设施,能减少相应的投资,且水轮机装置对生态环境影响小㊂然而,水轮机旋转面的面积只占据了潮流截面的一小部分,对潮流能的利用率较低,同时要求潮流流速达到一定的条件来保证发电量㊂当前,国际上潮流能发电技术以欧洲国家较为成熟,在潮流能资源丰富的地区,进行了多种类型的全比例水轮机样机真实海况测试㊂2020年,苏格兰Texo公司计划在EMEC试验场安装2MW的SR2000机组,潮流能行业已然进入试商业化运行阶段㊂2.1.1 水平轴式水轮机当水流方向与水轮机叶轮旋转轴平行,为水平轴式水轮机㊂该类型水轮机的叶片均布于轮毂上,现主要以三叶片叶轮为主,通过水流作用在叶片上产生的升力和转矩推动叶轮绕着横轴旋转,以此将水流动能转化为旋转的机械能,然后旋转的主轴将驱动发电机发电,将机械能转化为电能[37]㊂水平轴式水轮机的发电技术与风轮机发电技术有很大相似性,很多技术沿用了风轮机技术,有较好的前期基础,目前水平轴式水轮机主要包括英国MCT公司研发的SeaGen系列,英国SMD公司的TidEL项目以及爱尔兰OpenHydeo公司的Open Ventre装置等㊂与垂直轴式水轮机相比,水平轴式水轮机结构简单,稳定性好㊂同时,水平轴叶轮具有更佳的效率转换㊁自启动力矩大㊁转动稳定等优点;但其叶片结构较垂直轴式更为复杂,且简单高效叶片以及如何避免空化有待深入研究,需换向或变桨机构以适应潮流的双向特性,结构整体比较复杂[38]㊂据Corsatea 等[39]调查显示,潮流能行业76%的投资都用于研发水平轴式潮流能水轮机㊂2.1.2 垂直轴式水轮机垂直轴式水轮机发电原理与水平轴式类似,但其水流方向与水轮机叶轮旋转轴垂直㊂该类型水轮机的叶轮旋转面平行于水流,叶片均布于轮缘上,叶片在水流作用下产生的升力㊁阻力及其转矩推动叶轮绕主轴旋转,主轴带动发电机运转,从而达到发电状态[40]㊂目前垂直轴式水轮机主要包括加拿大NE公司设计的EnCurrent垂直轴式潮流发电系统㊁美国ORP公司通过螺旋叶片方案设计的CGen潮流能发电装置以及哈尔滨工程大学设计的万向系列水轮机等㊂与水平轴式叶轮相比,垂直轴式叶轮主要优点[41]是:有着更为简单的设计,较大降低了装置总成本,可以利用来自任何方向的水流,并不需要用到任何偏航设备;适合大规模阵列布置;叶片采用对称翼型结构简单便于制造;发电机可置于叶轮主轴的上端水面之上以降低水下密封的难度和成本;也有研究表明它能更好地适应湍流环境[42]㊂此外,工作转速较低,不易空化㊁减少叶尖损失,更有效地降低噪音,这样有利于保护海洋生物的栖息地[43]㊂缺点主要是:相对于水平轴式较低的自启动能力㊁较高的扭矩波动以及通常低于水平轴式水轮机的获能效率,且其叶片攻角在一个旋转周期内处于变化的状态,会导致输出功率的不平衡㊂同时,这也会令其在紧急情况下很难停止,因为它不容易在水流中旋出,而水平轴式可以通过变桨将叶片与水流方向平行以达到停止,它需要比水平轴式叶片具有更光洁的表面,以保持较高的升阻比,这是达到合理效率所必需的,但这在海水中很难得到有效保持,也会导致其制造和维护成本显著增加㊂2.1.3 振荡水翼技术该类型机组主要由振荡悬臂㊁水翼及液压发电单元组成,振荡悬臂在水翼两侧潮流的推动下摆动,其摆动可驱动高压液体从而带动液压发电机发电,从而将动能转换为电能[44]㊂区别于传统水轮机旋转获能发电,振荡水翼技术克服传统水轮机占用水深大和环境影响强的缺点㊂水翼转轴竖向安装,可以避免因水翼与422河海大学学报(自然科学版)第49卷水密度不同而引起的水翼上浮或下沉,优化了其运动效果㊂水翼结构形式十分简单,相对于其他获能结构制造简便,不易损坏,即便破坏也易于更换,具有更好的工程利用价值[45]㊂振荡水翼的悬臂扫掠的区域宽而浅,所以在浅海中有着一定的优势,但相对于研究相对成熟的水平轴式和竖直轴式潮流发电技术而言,振荡水翼技术在水域中进行的是非定常运动,所带来的更为复杂的尾部湍流与大尺度涡旋难以模拟,使得该技术存在极大的不稳定性,这意味着设计必须采用保守的安全裕度,产生更高的成本,同时控制策略也不是最优的,也会导致能源利用率的降低[46]㊂因此,目前振荡水翼运行项目相对较少,主要有英国EBL公司设计的150kW振荡式潮流能装置Stingray和PT公司开发的100kW Pulse⁃Stream100”样机等㊂2.2 支撑结构水轮机装置在运行过程中,除了多变的海洋环境会影响其工作状态,也会受到水轮机装置支撑结构的影响㊂水轮机生命周期在很大程度上取决于结构与水动力相互作用,如Mason⁃Jones等[47]分别对多种不同形状的支撑桩柱以及在有㊁无支撑结构时对水平轴式水轮机性能的影响进行了对比研究,结果发现不同的支撑结构会使扭矩㊁功率和轴向推力的振幅变化皆有不同,且支撑结构的存在会使扭矩㊁功率和轴向推力的振幅增大㊂因此,在几何设计和材料选择阶段,准确量化荷载(包括所选用的支撑结构上的阻力)是相当重要的㊂当前,水轮机支撑结构安装形式主要有重力式㊁桩柱式和漂浮式㊂重力式结构可以理解为采用重力基脚和沉箱等结构,主要依靠基础及压载物重量抵抗上部水流通过水轮机时所引起的倾覆力矩和滑动力,从而使装置结构在海底保持稳定的安装形式㊂该基础形式结构简单,应用技术成熟,适合水轮机的长期作业㊂然而重力式基础适用于坚硬的黏土㊁砂土以及岩石地基,地基须有足够的承载力支撑基础结构自重㊂桩柱式是将桩基固埋设于海底的安装形式㊂此种安装结构能够抵御波浪等恶劣环境的冲击,有着较高的安全可靠系数,当前多数潮流能示范工程采用桩柱式基础㊂但在施工过程中需要进行水下作业,且安装后的桩柱难以回收,成本较高㊂随着水深的不断增加,固定式基础的成本变高并且安装运输不便,漂浮式基础能很好地克服这一问题,漂浮式基础包括了单柱式平台㊁半潜式等,依靠系泊系统固结于海底,其优点在于节约成本㊁安装便捷㊁易于维修与拆除㊂漂浮式载体浮于自由液面上,易受风浪的影响使得载体摇摆,导致水下发电装置的获能不稳定;占据一定的水面空间,不利于水上交通运输㊂2.3 潮流能示范工程随着潮流能发电技术的不断发展和完善,世界各国陆续涌现了一些潮流能示范工程和拟建项目,其中欧洲国家起到了主导作用㊂英国从20世纪70年代以来,制定了强调能源多元化的政策,鼓励发展包括海洋能在内的多种可再生能源[48]㊂在2003年,MCT在英国Bristol海峡试验了一种额定功率300kW的新型潮流能水轮机SeaFlow,在有利海况下,转子转速能达到15r/min,该水轮机固定在可升降的支柱上,作为没有并网的试验平台㊂在2008年,MCT公司又设计建造了其第二代产品SeaGen潮流能水轮机,并首次采用了双叶轮结构,单转子的额定功率可达500kW,总额定功率1MW,该机组于2019年拆除,是首个完全退役的商业化规模潮流能水轮机[49]㊂在2010年,SAE开启了MeyGen示范项目,是目前世界上最大的规划潮流能项目,该项目由4台1.5MW的AR1500机组组成㊂英国Orbital公司研发的O2机组于2017年10月至2018年10月,在EMEC示范运行1a,总发电量达到了3.2GW㊃h㊂2010年以来,欧洲出台了多个旨在促进海洋可再生能源研究和开发的计划,充分反映出欧洲整体对海洋可再生能源的重视,其中欧盟的 Horizon2020”快速通道创新试点计划赞助了包括西班牙MR公司研发测试的2MW潮流能机组ATIR㊁苏格兰NI公司研发的致力于节约潮流能发电成本的PTO项目等㊂通过政策与资金的支持,截至2019年底,欧洲潮流能总装机容量达到了27.7MW㊂潮流能发电能力得到大幅提升,发电量增加了15GW㊃h,总发电量达49GW㊃h[50]㊂我国近代潮流能研究始于20世纪70年代末,1979年舟山的渔民何世均父子制作船用螺旋桨式叶轮及液压传动潮流能发电样机,悬挂于渔船尾部,在舟山群岛西候门水道进行试验,并成功发电㊂随着国家对可再生能源的重视,参与单位逐渐增加;2010年后,进入了快速发展时期[51]㊂在水轮机海试项目上也频传捷报,其中包括了哈尔滨工程大学研发的 万向” 海能” 海明”等垂直轴式和水平轴式水轮机;中国海洋大学研发的5kW垂直轴式柔性叶片水轮机㊁50kW的坐底式水平轴式水轮机和用于海岛独立供电的100kW水平轴式潮流能发电装置;东北师范大学研制的300kW自变距三叶片机组;浙江大学在摘箬山岛海域建成了多个漂浮式测试平台,2014年起,开展了多个示范项目,包括了60kW和120kW三叶片机组㊂在前期基础。
基于叶素_动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析_王树杰
600
太
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能
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报
35 卷
为 U，引入轴向诱导因子和切向诱导因子 a 和 a' 。 通过叶素的水流轴向速度为 U（ 1 － a） ， 切向速度为 轴向速度和切向速度合成相对速度 W， Ω r（ 1 + a' ） ， β为 相对速度 W 和翼型弦线之间的夹角 α 为攻角， 叶素桨距角， = α + β， 该叶素的来流角 为： U（ 1 － a） （ 1） = actan Ω r（ 1 + a' ）
C Dmax = 1 ． 11 + 0 ． 018 AＲ ，α = 90 ° B1 = C Dmax ， B2 = C Ds － C Dmax sin2 α s / cosα s 。 其中，
C D = B1 sin2 α + B2 cosα， 15 ° ＜ α ＜ 90 ° （ 17 ） C L = A1 sin2 α + A2 （ cos2 α / sinα） ， 15 ° ＜ α ＜ 90 ° （ 18 ） A1 = B1 / 2 ，A2 = （ C Ls － C Dmax sinα s cosα s ） × 其中， （ sinα s / cos2 α s ） 。 — —完 全 失 速 时 的 最 大 阻 力 系 数 ； 式 中，C Dmax —
［10 ］
额定流速 v rated / m·s 额定功率 P rated / W 叶轮直径 D / m 轮毂直径 D hub / m 叶片数量 B / 个 设计尖速比 λ 叶片翼型
0． 8 25 0． 6 0． 8 6 2． 3 NACA 44XX
。 ViternaCorrigan 失 速 模 （ 16 ）
根据简化风车理论， 叶片展向分为 9 个截面， 通 过计算得到每个截面弦长和扭角分布见表 2 。 在中国海洋大学物理海洋教育部重点试验室大 型风浪流水槽（ 见图 4 ） 中进行了水轮机水动力性 能模型试验。水槽长度为 65m， 宽度为 1． 2m， 深度 为 1． 75m， 最大流速为 0． 8m / s。水槽可进行流速和 水深调节， 能够满足试验的工况需求。
浪-流联合作用对垂直轴水轮机水力性能的影响
浪-流联合作用对垂直轴水轮机水力性能的影响在实际海洋环境中,海洋动力过程复杂多样。
潮流运动往往和波浪相互作用,发生浪流联合作用的环境载荷,这种耦合流动会对海工建筑物、航道等产生巨大的破坏。
本文以垂直轴三叶片潮流能水轮机为研究对象,通过数值模拟方法建立了二阶stokes波浪水槽,在波浪与均匀流的联合作用下,研究水轮机运行过程中的水动力性能变化;与此同时针对水轮机在均匀流和浪流联合载荷中均表现出来的输出能量低且不稳定的缺点提出相应的改善方法,主要研究内容及相关结论如下:1)确立以二阶斯托克斯波浪方程为基础,根据行波解析解探究了数值波浪边界条件的合理给定方式,采用边界造波法、阻尼消波技术及VOF自由表面处理方法,基于CFX软件构建了二维和三维的数值波浪水槽,成功实现了二阶Stokes波浪的数值模拟。
数值波浪具有良好的品质,在爬升和下降的传播过程中具有良好的稳定性和周期性,与理论波形较好的吻合。
在波浪参数误差中,因波浪粘性作用导致能量耗散造成波高误差值最大。
2)基于波浪的数值模拟方法,在三维水槽中添加垂直轴潮流能水轮机,进行二阶Stokes波浪与均匀流联合环境对水轮机的模拟分析,对比了均匀流和浪-流联合条件中水轮机性能和内部流场。
结果表明,浪流耦合流动造成了输出能量的极大波动,加剧了机组的不稳定性。
内部实际流场是随着浪流耦合流动而不断变化的非稳态流场,受浪流叠加作用变得更加复杂紊乱,在叶片尾部和转轴后方形成较长的涡带。
3)针对水轮机在均匀流和浪流联合载荷中均表现出来的输出能量低且不稳定的缺点,引入了一种螺旋“三角型”叶片来替代传统直叶片H型叶轮,研究了均匀流环境下螺旋“三角型”叶轮的水力性能。
经过综合对比,15°螺旋包角的叶轮性能最佳,提升了能量捕获系数的同时改善了能量输出稳定性。
此外,通过叶轮改型前后的内流场对比发现,螺旋叶轮不仅有效地减小了叶片尾涡的尺寸和范围,也减小了叶片上水压力脉动的幅值,有利于机组运行稳定性的提高。
浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究
58卷第2期（总第222期) 2017年6月中国造船SHIPBUILDING OF CHINAVol.58 No.2(Serial No. 222)Jun.2017文章编号：1000-4882 (2017) 02-0189-10浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究马伟佳\荆丰梅、王树齐2,刘京1(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001;2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江212003)摘 要浪流共存环境中的潮流能水轮机性能研究旨在为准确地估计潮流能发电装置的生存性及获能效率等重 要指标提供依据。
论文基于模型试验的方法，采用发电功率为l k W的水平轴水轮机模型，在不同叶尖浸没水 深条件下，研究规则波以及极限波作用下的水轮机特性，揭示其功率与载荷的变化规律。
研究结果可为潮流 电站设计提供依据以及为数值方法的有效性验证提供数据。
关键词：浪流共存；潮流能；水平轴水轮机；模型试验中图分类号：T K7文献标识码：A〇引言近年来，海洋可再生能源开发利用受到了髙度重视。
包括潮流能在内的海洋能开发利用，不仅有 利于发展海洋经济、降低排放并改善海洋环境，而且对管控和建设远离大陆的海岛（500 m2以上的6500 多个海岛）有重大的战略意义。
我国东海、南海岛屿分布广、离岸远，若从大陆长距离海上输送电能则 不现实；若把煤炭或油气远距离运送到海岛上再发电，对于东海、南海的岛屿则耗费巨大；而利用潮 流能来满足海岛建设的能源需求则是最好的选择之一。
潮流的流速和流向是周期性变化的，受岸线、海底山脉和自由面的影响，潮流中伴随大尺度的旋 涡和小尺度的湍流，流速和流向均不稳定。
波浪是水体重力与惯性力的动态平衡，利用波浪可以发电,但是波浪对潮流能装置的能量捕获是有影响的。
英国的E P S R C[1]报告指出：浪流共存环境中的海洋能 装置的水动力性能已被认为是一个很重要问题；如果对此没有很好的认知，就不能较准确地估计装置 的生存性、获能效率等重要指标。
水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析
Vol. 43, No. 1Jan., 2021第43卷第1期2021年1月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析张之阳1,王晓航2,刘蔵兴1,纪仁玮駡郭广廓4(1.江苏海洋大学机械与海洋工程学院，江苏连云港222005;2.哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150001;3.哈尔滨工程大学海洋可再生能源研究所，黑龙江哈尔滨150001;4.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510000)摘 要：潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分，为提高潮流能利用效率，本文基于叶素-动量理论(BEM)方法，给出Glauert 涡流设计理论在水平轴潮流能叶轮设计上的应用。
采用BEM 理论和CFD 数值模拟方法对设计的潮流能叶轮进行水动力性能分析，计算其在不同叶尖速比下的功率特性，2种方法的结果表现了较好的一致 性。
在此基础上，基于BEM 理论，进一步分析叶片表面的载荷分布情况，选取叶片沿展长方向的3个不同位置， 分析翼段的流体动力特性随速比的变化规律。
计算结果表明，潮流能叶轮工作特性满足对功率和效率的要求， 说明了设计方法的可靠性。
本文的研究成果为今后水平轴潮流能叶轮设计及水动力性能预报提供有价值的参考。
关键词：水平轴叶轮；叶片设计：水动力分析；BEM 理论；CFD 数值模拟中图分类号：P743 文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2021)01 - 0078 - 05 doi ： 10.3404/j.issn.l672 - 7649.2021.01.014Design and hydrodynamic performance analysis of horizontal axis tidal current turbineZHANG Zhi-yang 1, WANG Xiao-hang 2, LIU Wei-xing 1, JI Ren-wei 3, GUO Guang-kuo 4(1. School of Mechanical and Ocean Engineering, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China;2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150001, China;3. Institute of Ocean Renewable Energy System, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;4. The Fifth Electronics Research Institute ofMinistury of Industry and Information Technology, Guangzhou 510000, China)Abstract: Tidal current energy is an important component of marine renewable energy. In order to improve the effi ciency of tidal current energy utilization, the application of Glauert eddy current design theory in the design of horizontal ax is tidal current turbine (HATCT) is presented based on the blade element momentum method. Secondly, the BEM theory andCFD numerical simulation method are used to analyze the hydrodynamic performance of the designed HATCT, and thepower characteristics of the HATCT under different tip speed ratios are calculated. The results of the two methods are in good agreement. On this basis, based on BEM theory, the load distribution on the blade surface is further analyzed, and threedifferent positions along the blade extension direction are selected to analyze the variation of hydrodynamic characteristics of the wing section with the speed ratio. The calculation results show that the working characteristics of the HATCT meet therequirements of power and efficiency, and the reliability of the design method is illustrated. The research results of this pa per provide valuable reference for the design of the HATCT and the prediction of its hydrodynamic performance in the future.Key words: horizontal axis tidal current turbine ; blade design: hydrodynamic analysis ; BEM theory; CFD numerical simulation0引言生能源，潮流能具有储量丰富、分布集中且可预测性强等优点。
浅谈水泵水轮机内部流动及水力特性
浅谈水泵水轮机内部流动及水力特性水泵水轮机是用于输送、提升和转换水能的机械设备，其内部流动和水力特性对于其工作效率和性能有着重要影响。
在水泵水轮机运行过程中，水在其内部经过复杂的流动过程，同时水力特性也直接影响着设备的运行效率和稳定性。
深入了解水泵水轮机内部流动和水力特性对于提高设备的性能和效率具有重要意义。
我们来谈谈水泵水轮机内部流动。
水泵水轮机的内部流动可以分为两个部分，即水泵内部和水轮机内部的流动。
在水泵内部，水首先通过进水口进入叶轮，然后在叶轮的作用下，水被加速并压缩，随后通过出水口被输送到目标地点。
这一过程中，水经过了加速、压缩和输送等多个阶段的流动，具有较大的动能和压力能，同时受到叶轮叶片的作用，流动方向和速度会发生明显变化。
水在水泵内部的流动是一个复杂的非定常流动过程，需要考虑液体流体力学和叶轮流体力学等多个因素的影响。
在水轮机内部，水则是通过叶片的作用转换为机械能，并驱动机械设备进行工作。
水在水轮机内部的流动过程相对简单一些，主要是受到水轮机叶片设计和流道形状的影响。
在水轮机内部，水的流动主要是由入口处的静压力驱动，通过导叶、转子和导流罩等部件的作用，水流经过叶片被转换为动能，最终驱动轴进行功率输出。
水在水轮机内部的流动过程主要受到叶片的作用，需要考虑叶片设计、叶片形状和叶片数量等因素对于水流动的影响。
水泵水轮机内部流动的特点是非常复杂的，流体力学原理对于了解和分析这一过程都有着非常重要的意义。
在水泵水轮机内部流动分析中，通常需要考虑以下几个方面的因素：首先是流体动力学特性，包括水的密度、粘度、流速和动压等参数，以及速度分布、压力分布和流线形态等方面的特征。
水在水泵水轮机内部的流动过程中，这些流体力学参数都会对流动状态和能量转换产生重要影响，因此需要对这些参数进行准确的计算和分析。
其次是叶片轮廓设计和叶片性能，包括叶片的形状、叶片的数量、叶片的材料和叶片的受力情况等方面。
叶片是水泵水轮机内部流动的关键部件，其设计和性能直接影响着流体的动态特性和能量转换效率，因此需要对叶片的设计和性能进行深入的研究和分析。
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21 世纪以来，面对常规能源日益枯竭、环境恶化的局面，各国将目光转向可再生能源［1］。潮流能属于海 洋可再生能源，其资源丰富、清洁无污染且可预测性强，具有良好的开发前景［2］。水平轴潮流能水轮机以其 结构简单、发电功率大、技术成熟的特点成为最具有商业开发前景的潮流能发电装置［3］。研究潮流能水轮 机下游的水动力特性，可为提升能量转化效率奠定理论基础，并为潮流能开发利用装置设计提供指导，具有 重要的工程应用意义［4-5］。
近年来，国内外学者对纯流作用下的水轮机水动力特性进行了大量研究。例如，Myers 等［6］在循环水槽 中测试了来流条件对悬臂式水平轴潮流能水轮机上下游水位的影响，发现有来流时水轮机前水位雍高； 经过 转子后水位迅速减小。Maganga 等［7］在循环水槽中用 LDV（ laser doppler velocimetry） 测量了一台悬浮式水轮
张继生1，张 婧1，王日升2，顾介康1，林祥峰1
（ 1．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210024； 2．山东交通学院交通土建学院，山东 济南 250347）
摘要： 通过开展物理模型试验，探究波流共同作用下水平轴潮流能水轮机尾流场的流速变化和紊
动特性。结果表明： 相比于纯流工况，波浪的存在有利于支撑结构后方水流的速度恢复，但会使水
第 47 卷第 2 期 2019 年 3 月
河海大学学报（ 自然科学版） Journal of Hohai University（ Natural Sciences）
DOI： 10．3876 / j．issn．1000－1980．2019．02．014
Vol．47 No．2 Mar． 2019
波流共同作用下水平轴潮流能水轮机水动力特性
轮机叶片旋转水域后方近尾流的速度损失更大，远尾流的速度恢复更慢； 水轮机下游流速会随波高
和周期的增加而增大； 波流共同作用工况下的湍流强度整体高于纯流工况； 湍流强度随波浪周期的
增大而减小，随波高的增大而变大。
关键词： 潮流能水轮机； 波流共同作用； 水动力特性； 物理模型试验
0-1980（ 2019） 02-0175-08
Investigation on the hydrodynamics around a tidal stream turbine of horizontal axis under the combined action of wave and current
ZHANG Jisheng1，ZHANG Jing1，WANG Ｒisheng2，GU Jiekang1，LIN Xiangfeng1 （ 1． College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210024，China；
基金项目： 国家重点研发计划 （ 2017YFC1404200） ； 国家自然科学基金面上项目 （ 51879098） ； 江苏省研究生科研与实践创新计划项目 （ KYCX17_0448）
2． College of Traffic and Civil Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250347，China）
Abstract： Physical experiments were conducted in this study to investigate the flow velocity distribution and the turbulence characteristics in the wake of a horizontal axis tidal stream turbine under the combined action of wave and current． The results show that the existence of wave would contribute to the recovery of flow velocity behind the support structure． Compared with that under pure current，larger velocity deficit was observed within the swept area and slower velocity recovery rate was found in the far wake，when the model turbine operates under the combined action of wave and current． It’s also found that the flow velocity in the downstream of turbine would increase with the increasing of wave height and wave period． Meanwhile，turbulence intensity in the flow field under combined wave and current is generally higher than that under a pure current condition． In addition，turbulence intensity would decrease with the increasing of wave period，while would increase with the increasing of wave height．