关于双单元垂直轴潮汐涡轮机在波浪作用下的流体动力特性的研究

《Ocean Engineering》：Study on the hydrodynamic characteristics of a double-unit vertical-axis tidal turbine in surging motion

本文基于CFD方法，结合滑移网格与重叠网格技术，模拟双单元垂直轴潮汐涡轮机在双向流运动下的水动力载荷特性，建立傅里叶级数分解模型分析运动耦合效应，发现双向流运动使载荷系数波动幅度随频率和振幅增加，双单元平均功率系数较单单元高6.85%但较静态工况下降18%，为浮式VATT的可靠设计与运行优化提供理论支撑。

　　随着全球对可再生能源的重视程度不断提升，海洋能作为一种清洁、可持续的能源形式，正逐步成为能源开发的重要方向。特别是潮汐能，因其具有较强的年际和季节稳定性、高能量密度以及良好的可预测性，被视为一种极具潜力的海洋能技术。然而，潮汐能的开发和利用仍面临诸多挑战，其中潮汐涡轮机的结构可靠性、输出功率控制以及在复杂流场环境下的性能表现尤为关键。本文围绕双机组垂直轴潮汐涡轮机（VATT）在浮平台运动条件下的水动力特性展开研究，旨在揭示平台运动对双机组VATT水动力负载的影响机制，并为系统的可靠性设计与运行控制策略优化提供理论依据。

在海洋能开发的背景下，潮汐涡轮机作为重要的能量转换装置，主要分为水平轴涡轮机（HATT）和垂直轴涡轮机（VATT）两大类。VATT因其结构紧凑、适应复杂流场的能力强以及无需流场转换装置等优势，逐渐成为研究热点。特别是在浮式安装模式下，VATT展现出更强的适应性，能够在多变的流场环境中保持稳定运行。然而，浮平台的运动，如纵荡（surging）、横摇（pitching）和偏航（yawing）等，会对VATT的相对流速产生显著影响，进而改变其水动力负载特性。这种变化不仅影响涡轮机的输出功率，还可能对其结构安全性和疲劳寿命造成威胁。

当前的研究普遍关注VATT在不同安装配置下的水动力性能，例如多机组阵列布局和单机组运行状态。研究表明，通过优化阵列布局和间距，可以增强VATT之间的水动力相互作用，从而提高整体的能量转换效率。此外，VATT的叶片数量和设计也对性能产生重要影响，如叶片数量与涡轮机的效率曲线之间存在匹配关系，叶片数量多适用于低转速比（TSR）条件，而叶片数量少则适用于高转速比。通过采用抛物线型叶片设计，还可以显著提升Savonius涡轮机的最大功率系数。这些研究为VATT的设计和优化提供了重要参考，但在浮平台运动对双机组VATT水动力负载影响方面的系统性研究仍显不足。

浮平台的运动对VATT的水动力负载具有显著影响，尤其是在纵荡（surging）条件下。已有研究表明，纵荡运动会使VATT的水动力负载波动幅度随运动频率和振幅的增加而增大。同时，这种波动的周期性变化也会影响涡轮机的输出功率稳定性。在实际应用中，浮平台的运动特性往往与海况密切相关，如波浪的周期和幅值，这些因素都会对VATT的运行产生复杂的影响。因此，深入研究浮平台运动对双机组VATT水动力负载的具体影响，有助于更好地理解涡轮机在实际环境中的运行机制，并为提升其结构安全性和输出效率提供支持。

为了更全面地分析浮平台运动对双机组VATT水动力负载的影响，本文采用了计算流体力学（CFD）方法，并结合滑动网格和重叠网格技术，构建了一种适用于双机组VATT在纵荡运动条件下的数值模拟方法。该方法能够准确计算涡轮机在不同运动参数下的水动力负载变化，并揭示其波动规律。通过改变纵荡的振幅和频率，研究了其对双机组VATT水动力负载的影响，进一步探讨了这种影响如何影响涡轮机的输出功率和结构可靠性。研究发现，纵荡运动对双机组VATT的水动力负载波动幅度具有显著影响，且随着振幅和频率的增加，波动范围也相应扩大。

此外，本文还基于傅里叶级数展开，建立了双机组VATT在纵荡运动条件下的水动力负载分解模型。这一模型有助于分析纵荡运动对涡轮机水动力负载的动态影响，并揭示其背后的物理机制。研究结果表明，双机组VATT的水动力负载波动幅度在旋转频率的基础上呈现出周期性变化，且这种变化在纵荡运动条件下更为显著。相比之下，单机组VATT的平均功率系数在相同环境下略低，但双机组VATT的功率输出仍保持较高的稳定性。这说明，双机组VATT在面对浮平台运动时，能够通过合理的布局和设计，有效降低水动力负载的波动，从而提升系统的整体性能。

值得注意的是，现有研究大多集中在单因素对VATT水动力性能的影响，如仅分析阵列布局或平台运动对涡轮机性能的单独作用。然而，在实际应用中，VATT的运行往往受到多种因素的共同影响，例如浮平台的运动状态、涡轮机的布局方式以及叶片设计等。因此，本文选择研究双机组VATT在纵荡运动条件下的耦合效应，旨在更全面地理解这些因素如何相互作用，进而影响涡轮机的性能表现。通过引入多因素耦合分析，研究者可以更准确地评估不同条件下VATT的运行效率，并为实际工程应用提供更为科学的依据。

在研究方法上，本文采用CFD理论作为基础，结合滑动网格和重叠网格技术，构建了一种适用于双机组VATT在纵荡运动条件下的数值模拟方法。该方法能够有效地捕捉涡轮机在复杂运动状态下的流场变化，并计算其水动力负载的动态特性。通过改变纵荡的参数，研究者可以系统地分析其对双机组VATT水动力负载的影响，并进一步探讨如何优化涡轮机的布局和设计以应对这种影响。同时，基于傅里叶级数展开的分解模型，有助于揭示纵荡运动对水动力负载的具体作用机制，从而为后续的优化设计提供理论支持。

本文的研究结果表明，双机组VATT在面对浮平台纵荡运动时，其水动力负载波动幅度会随运动频率和振幅的增加而增大。然而，尽管存在波动，双机组VATT的平均功率系数仍保持较高的水平，且在相同环境下，其输出功率比单机组VATT更为稳定。这说明，双机组VATT在面对平台运动时，能够通过合理的布局和设计，有效降低水动力负载的波动，从而提升系统的整体性能。同时，研究还发现，纵荡运动对水动力负载的影响主要体现在其波动的周期性和幅度上，而横摇运动的影响则在横摇频率超过纵荡频率时才会变得明显。

从实际应用的角度来看，本文的研究成果对双机组VATT的可靠性设计和运行控制策略优化具有重要意义。首先，在可靠性设计方面，研究结果表明，双机组VATT在面对平台运动时，其结构安全性和疲劳寿命可能受到一定程度的影响。因此，在设计过程中，需要充分考虑平台运动对涡轮机水动力负载的影响，并采取相应的优化措施，如调整涡轮机的布局方式、优化叶片设计等，以提高系统的结构可靠性。其次，在运行控制策略优化方面，研究结果表明，纵荡运动会对涡轮机的输出功率稳定性产生显著影响。因此，在实际运行中，需要根据平台的运动状态，合理调整涡轮机的运行参数，如转速、叶片角度等，以确保系统的稳定运行和高效输出。

综上所述，本文通过数值模拟和理论分析，揭示了浮平台纵荡运动对双机组VATT水动力负载的具体影响机制。研究发现，纵荡运动会导致水动力负载波动幅度增大，并呈现出周期性变化。然而，双机组VATT在面对这种波动时，仍能保持较高的平均功率系数，且其输出功率比单机组VATT更为稳定。这些发现不仅为VATT的可靠性设计提供了理论支持，也为运行控制策略的优化提供了重要依据。未来的研究可以进一步探讨其他类型的平台运动（如横摇、偏航等）对双机组VATT水动力负载的影响，以及如何通过多因素耦合分析，实现更为全面的优化设计。此外，还可以结合实验数据，验证数值模拟结果的准确性，并进一步完善水动力负载分解模型，以提升研究的科学性和实用性。