水平轴潮流能水轮机疲劳裂纹扩展模式的多物理场耦合分析与临界阈值研究

针对水平轴潮流能水轮机（HATT）在复杂海洋环境中面临的疲劳寿命评估难题，研究人员通过扩展有限元法（XFEM）与Walker方程耦合框架，结合三维流体-结构相互作用（FSI）模拟，揭示了叶片裂纹扩展对叶尖速比（TSR）的敏感性规律，首次提出临界裂纹比（a/b=0.05）的耐久性阈值，为海洋能装备可靠性设计提供了量化标准。

　　

在追求碳中和的全球背景下，潮流能因其可预测性强、生态影响低等优势成为海洋可再生能源开发的重点。中国东海海域蕴藏着约13.96 GW的潮流能资源，但水平轴潮流能水轮机（Horizontal-Axis Tidal Turbine, HATT）在运行中面临严峻挑战：叶片需承受周期性流体载荷、空蚀破坏、涡激振动等多物理场耦合作用，导致疲劳损伤累积速度远超陆上风电设备。传统设计方法难以精确预测裂纹扩展行为，而维护成本高昂（单次海上作业费用可达陆上10倍）使得疲劳寿命评估成为制约产业发展的关键瓶颈。

针对这一难题，江苏某高校联合团队在《Ocean Engineering》发表研究，创新性地建立了流体-结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）全耦合分析框架。该研究通过非定常雷诺平均Navier-Stokes方程（URANS）获取高精度流场载荷谱，结合扩展有限元法（eXtended Finite Element Method, XFEM）的裂纹自动追踪优势，首次系统揭示了HATT叶片在不同叶尖速比（Tip Speed Ratio, TSR）下的疲劳裂纹演化规律。关键技术路径包含：1）基于Fr相似准则的1:5缩比模型实验验证；2）采用Walker方程（考虑应力比效应）替代传统Paris模型；3）集成Monte Carlo方法的概率耐久性评估体系。

流体数值模型
通过守恒性验证的SST k-ω湍流模型显示，当TSR从3升至5时，叶片压力面最大动压增幅达214%，证实了高转速工况下流体惯性力主导裂纹扩展的假设。

结构模型和材料属性
采用7075-T6航空铝合金的三维模型显示，叶片-轮毂连接处存在显著的应力梯度突变（0.60 MPa vs 周边0.15 MPa），微观组织分析表明该区域β相(Mg₂
Zn₃
)偏析率达12%，成为裂纹优先萌生位点。

强度分析
XFEM模拟揭示裂纹扩展呈现三阶段特征：初始阶段（a/b<0.02）扩展速率仅0.03 mm/千周，过渡阶段（0.020.05）则骤增至0.45 mm/千周。位置1（前缘30%弦长处）的裂纹最终扩展量达9.8 mm，是位置3（后缘）的3.2倍。

结论与意义
该研究确立了三个里程碑式发现：首先，提出TSR-裂纹扩展速率的量化关系式Δa/ΔN=2.1×10^-5
(ΔK)^3.2
(1-R)^0.7
，精度较传统模型提升38%；其次，发现临界裂纹比阈值（a/b=0.05）可作为叶片预防性维护的量化指标；最后，开发的FSI-XFEM联合仿真框架为海洋能装备数字孪生系统提供了核心算法支撑。这些成果不仅解决了工程实际中裂纹监测成本高昂的痛点，更为国际电工委员会（IEC）制定海洋能设备疲劳评估标准提供了理论依据。