潮流能开发中近岸流场结构和水轮机阵列水动力特性研究

Tidal currents are constrained by islands and curved coastlines, which results in the concentration of tidal current energy. This type of energy can be exploited with turbine arrays when the power density is high enough. However, the irregular coastlines induce multiple-scale vortex structures, leading to fluctuations in flow speed, orientation and energy density. The operation of turbine arrays will change the initial flow field and alter the energy distribution, generating “duct-effect” and “blockage-effect”, which causes the water velocity to increase or decrease. Thus the overall efficiency of a tidal turbine array can be improved by optimizing the arrangement of turbines. The proposed research concerns on the multiple-scale flow structures and overall efficiency of tidal turbine arrays, with the main objectives being: 1) to study the vortex induced instability by conducting physical experiment, numerical simulation and field measurement; 2) to study the “duct-effect” of turbine arrays and to optimize their efficiency with the help of physical experiment; 3) to build a multiple-scale model to simulate the impact of arrays on the surrounding flow field in near-shore areas and to study the relationships between energy extraction and hydrodynamic conditions, to provide improved understanding of tidal current energy exploitation in coastal areas.

潮流运动在岛屿和岸线变化的作用下其动能产生集聚，达到较高水平时可利用潮流能水轮机进行发电。地形岸线的不规则性使得近岸流场存在漩涡等不同尺度的流场结构，引起流速、流向和潮流能密度的短周期波动。水轮机阵列的运行会影响潮流能密度分布和阵列尾流区流速，水轮机之间也通过流场相互作用，产生‘导流’和‘阻碍’两种效果，导致流速的增加或减少。因此合理的布局可以提高阵列的综合发电效率。本课题拟针对实际海域潮流能规模化开发中经常遇到的多尺度流场结构和阵列综合效率等问题展开研究：1）通过物理模型实验、数值模拟和多种手段的现场观测，研究近岸涡漩引起的能流密度不稳定现象；2）进行水轮机阵列的物理模型实验，研究利用加速区和减速区进行阵列优化的方法；3）建立跨尺度水动力学数学模型，模拟实际近岸流场水轮机阵列运行时周围流场的变化，研究能量提取与水动力环境的相互关系，为实际海况下的潮流能开发奠定基础。

利用浮标与坐底式潮流观测技术，开展了一系列近岸海域的现场观测活动，包括中长期定点观测，获得了褚岛北部海域较为完整的地形、地貌数据集，建立了对褚岛北部海域流场结构和潮流能资源分布的认识，可为在褚岛北部海域建设潮流能实验场提供数据。.基于计算流体力学技术、原型样机实验数据、搭建了用于模拟流场结构与水轮机阵列尾流的数值模型。通过水槽实验完成了数值模型的验证，详细分析了水轮机近尾流场、尾涡、湍动能以及阵列布置时轮机周边加速及减速区域的水动力特性；分析了近岸流场湍流变化对水轮机尾流影响，为优化水轮机阵列布局提供了数据及理论依据。.基于致动盘理论及叶素动量理论，圆盘并排阵列布置方式导致尾流区流速减小，而尾流之间及上下两端的流速增加。尾流逐渐衰减后，在下游远区发生合并，导致尾流衰减速度减缓。在多排阵列中，下游独立尾流核心区的流速随着阵列排数增加而减小。在圆盘阵列交错布置结构中，第二排阵列尾流边界层内的紊动强度及雷诺切应力高于第一排阵列尾流的紊动及切应力。受上游尾流的叠加作用，尾流边界层内的紊动强度及雷诺切应力随排数的增加而减小。.现有的线性致动盘理论模型无法充分考虑剪切流和自由水面同时存在的情况。本次研究基于流函数投影线性致动盘理论推导出了自由水面下的剪切流线性致动盘理论模型，以满足实际水域剪切流中水轮机量提取过程研究的需求。首先给出了三维空间内模型的框架，通过尾流自相似假定对模型进行简化并给出具体了的求解流程。利用扩展后的模型，对自由水面下两种经典流速分布（幂函数流速分布，对数流速分布）中潮流能水轮机能量吸收和尾流耗散的机理进行了分析。模型结果显示，在考虑自由水面条件下重力的作用会提升水轮机的效率，而垂向剪切作用对水轮机效率的影响因水轮机的垂向位置而异。