尾流动态特性对海流能发电多机组阵列布局的影响研究

This project focuses on the layout optimization of horizontal ocean current turbine (HOCT) arrays. With a combined method of both theoretic analysis and experimental test, the wake structure of HOCTs will be studied in depth, and the effect of turbine array configurations on the turbines’ hydrodynamic performance will be studied as well. The main content and innovations of this project are summarized as follows. Firstly, based on the actuated disk model, an analytical model that precisely characterizes the wake behind a single HOCT and the interaction stream between multi HOCTs will be developed. The distribution of pressure, velocity, and turbulence intensity of the turbine field will be analyzed under different array configurations. Secondly, concerning the optimization of turbines array configurations, the characterization parameter and the relationship model will be studied. The influence of array configurationsof turbines on the wake structure of the turbine farm will be studied.

本项目针对海流能发电场多机组阵列布局优化问题，充分考虑海流能发电机尾流效应，通过基本理论和实验测试分析研究的结合，探索阵列布局对海流能发电机水动力性能的影响规律。主要研究内容和创新点包括：①基于广义致动盘模型，建立海流能发电机尾流场数值仿真模型，研究发电机组尾流流场特性及发电场流场动态变化过程，分析海流能发电机不同布局阵列形式下流场的压力、速度和湍流分布情况；②研究海流能发电机布局问題的表征参数和关系模型，分析发电机阵列布局形式对发电场流场结构的影响规律。通过本项目研究，为后续开展海流能发电场布局规划和工程应用提供理论支持。

要想实现海流能的规模化应用，必须建立一个能安装多台海流能发电机的发电场。在发电场设计中，海流能发电机组布局排列是非常重要的。本项目针对海流能发电场多机组阵列布局优化问题，充分考虑海流能发电机尾流效应，揭示了海流能发电机阵列布局对水动力性能的影响机理，通过基本理论和实验测试分析研究的结合，基于广义致动盘模型和计算流体力学方法，建立了海流能发电机尾流场数值仿真模型，获得了发电机阵列布局形式对发电场流场结构的影响规律。取得的主要研究成果如下：.（1）海流能发电机原理样机设计。从低流速海流发电的需求出发，设计并研制了一组低速海流能发电原理样机，样机由由海流发电叶轮、耐压舱、磁力耦合传动机构和稀土永磁发电机组成。首先基于多目标遗传算法和叶片叶素理论，对低流速海流发电叶片进行了优化设计。为减小水下密封带来的摩擦功率损失，提出一种磁力耦合式变速箱结构，通过拖曳水池实验测试了该样机的发电特性。.（2）海流能发电机尾流效应流场建模研究。将海流能发电机转子叶片产生尾流区域的发展分为膨胀过程和扩散过程，采用广义制动盘模型和计算流体力学方法，考虑制动盘模型旋转边界的影响，基于雷诺时均N-S方程，考虑制动盘旋转边界的影响，对低雷诺数下重整化群的湍流模型进行修正，建立海流能发电机尾流场数值仿真模型，通过与实验结果对比验证了该模型的有效性。基于该模型，开展了多种工况下的海流能发电机尾流场数值仿真，分析了转子叶片、尖速比、来流湍流强度等参数对尾流流场结构的影响规律，研究海流能发电机尾流流场速度变化趋势以及尾流场中静压与湍流情况的分布。.（3）基于尾流效应的海流能发电机多机阵列水动力特性研究。建立海流能发电场各机组的海流能流场动态分布模型，通过水池实验和数值计算相结合的方法，研究发电机组尾流流场特性及发电场流场动态变化过程，分析海流能发电机不同布局阵列形式下海流发电机发电性能、流场的压力、速度和湍流分布情况，获得发电机组行列间距对发电场流场结构的影响规律。.（4）通过对比理论仿真与试验测试，验证了所提出的的尾流效应场模型的有效性。理论研究成果已发表论文3篇（SCI收录2篇、EI收录1篇），并授权国家发明专利5项。本项目取得的研究结果为后续开展工程样机研制提供了一定的理论基础。