萨利希海三处潜在潮汐能站点的湍流特征测量及其对海洋能源转换器设计的启示

为解决潮汐能转换器(CEC)设计中湍流参数缺失的问题，研究人员采用Stablemoor-ADV联合测量系统，对萨利希海的Bellingham Channel、Rosario Strait和Tacoma Narrows三处站点开展湍流强度、积分长度尺度和湍流动能(TKE)平衡研究。结果显示站点间湍流强度达7%-14%，积分长度尺度约10米，证实了边界层动力学主导的湍流特征。该研究为IEC TS 62600-201标准下的第二阶段资源评估提供了关键数据，对优化CEC结构设计具有重要意义。

　　

潮汐能作为可预测的可再生能源，其开发面临关键挑战——湍流引起的设备疲劳问题。在萨利希海这样的复杂海域，Admiralty Inlet虽已建立湍流数据库，但其他潜在站点的数据仍属空白。这直接制约着当前能量转换器(CEC)的耐久性设计和资源评估模型精度，特别是国际电工委员会(IEC)标准要求的第二阶段评估需要高分辨率湍流参数。

美国国家可再生能源实验室(NREL)联合华盛顿大学等机构，在《Applied Ocean Research》发表研究，创新性地采用Stablemoor浮标搭载声学多普勒流速仪(ADV)和剖面仪(ADCP)的组合系统，对Bellingham Channel、Rosario Strait和Tacoma Narrows三站点开展为期4个潮汐周期的同步测量。通过多普勒海洋学Python库(DOLfYN)进行运动校正和频谱分析，首次获取了这些站点10米水深处的完整湍流特征谱。

研究方法聚焦三大技术核心：1) Stablemoor浮标系统整合ADV与ADCP，通过惯性测量单元(IMU)和底跟踪(BT)实现运动补偿；2) 16Hz高频采样结合Welch谱分析提取各向异性湍流结构；3) 基于Lumley-Terray理论的^-5/3斜率法计算湍动能耗散率ε，并通过雷诺应力反演生产能力P。

4.1 水流特征
对比NOAA预测数据，实测流速在Rosario Strait超出预期11%（峰值2.8 m/s），而Bellingham Channel因86米水深测量位置偏低，流速低估38%。 Tacoma Narrows呈现典型的渐进波特征，流速剖面显示底部8米存在显著剪切流。

4.2 流速谱特征
功率谱密度分析揭示所有站点在>0.1Hz频段均呈现Kolmogorov理论预期的^-5/3斜率。Bellingham Channel因缺乏底跟踪校正，在0.02-0.15Hz频段出现能量缺损（图6a阴影区），印证了BT对低频运动补偿的关键作用。

4.3 湍流强度
测量高度与水深比(z/h)显著影响结果：Bellingham Channel(z/h=0.12)湍流强度最高（洪水期14%），Rosario Strait(z/h=0.19)和Tacoma Narrows(z/h=0.28)分别为10%和9%。所有站点均观测到TI∝1/U的经典边界层关系。

4.4 积分长度尺度
水平各向异性结构占主导，流向上尺度最大（BC平均8.5米，RS 9.3米，TN 6.9米）。最大值与通道全水深相关：RS达121米（对应130米水深），反映大尺度涡旋的垂向受限特征。

4.5 雷诺应力
横向剪切应力()在RS洪水期和TN退潮期与流向应力()量级相当（峰值15 N/m²），颠覆了窄通道必然符合壁面流动的假设，表明局部地形（如TN的120°弯道）会产生复杂二次流。

4.6 湍动能平衡
Rosario Strait显示生产-耗散平衡（P/ε≈1），符合边界层理论；而Tacoma Narrows洪水期耗散超产25-50%，暗示上游弯道产生的湍流能量输送。Bellingham Channel因缺乏ADCP校正未参与平衡分析。

该研究通过创新测量方案解决了中水层湍流观测难题，揭示了三站点虽共享边界层动力学特征，但局部地形会引发显著差异：1) Tacoma Narrows的弯道效应导致潮汐不对称的湍流输运；2) Rosario Strait展现经典壁面流特征；3) Bellingham Channel因近底测量位置成为高湍流强度特例。这些发现为IEC TS 62600-201 Stage 2评估提供了不可替代的现场数据，特别是积分长度尺度与转子尺寸的匹配关系（10-40米）、以及15 N/m²量级的剪切应力，将直接指导CEC的疲劳寿命设计。未来研究需结合长期观测验证春季大潮数据的代表性，并扩展至水面附近以评估风浪叠加效应。