双模态高斯模型在潮汐流涡轮机尾流横向速度分布评估中的应用与验证

为解决潮汐流涡轮机尾流预测难题，研究人员基于动量理论(Momentum Theory)构建了考虑通道阻塞效应的双模态高斯模型，通过水槽实验验证其在近尾流区(x/D≤3)误差降低0.6-9.7%、远尾流区(x/D≥8)误差仅增加0.7%的优越性，为优化潮汐电站布局提供关键理论工具。

　　

潮汐能作为可预测性强的清洁能源，其开发对减少碳排放具有重要意义。然而，潮汐流涡轮机运行时产生的尾流会显著降低下游涡轮机的动能获取效率，尤其在密集排列的潮汐电站中，尾流叠加效应使得流场预测变得异常复杂。现有研究虽已建立多种尾流模型，但在近尾流区（靠近转子的区域）的预测精度仍不理想，且普遍未充分考虑通道阻塞（channel blockage）等关键因素。

河海大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过结合动量理论和水槽实验，开发了一种改进的双模态高斯模型（bimodal Gaussian model）。该模型成功捕捉到近尾流区特有的双峰速度分布特征，实验验证显示其整体预测误差低于6.5%，显著优于传统高斯模型和Lam-Chen模型。这一成果为潮汐电站的优化布局和性能评估提供了更精确的理论工具。

研究采用三大关键技术：1）基于动量理论构建包含通道阻塞修正项的数学模型；2）在循环水槽中对直径0.3米的三叶片涡轮机进行测试（流速0.4 m/s，湍流强度6.3%）；3）使用激光多普勒测速仪（LDV）测量尾流横向速度分布，数据涵盖x/D=1-14范围（x为下游距离，D为转子直径）。

主要研究结果

1. 基本定义：通过推力系数(C_T
   )和功率系数(C_P
   =0.33)建立理论框架，引入修正项量化通道阻塞对动量传递的影响。
2. 实验装置与性能：在尖端速比λ≈3.9工况下，测得尾流速度呈现典型双峰分布，近转子区出现因叶片尖端涡流（tip vortices）导致的流速加速现象。
3. 结论：双模态模型在近尾流区(x/D≤3)相对误差比标准高斯模型低0.6-9.7%，远尾流区误差增幅仅0.7%，证实其能更准确表征剪切流（shear flow）效应。

讨论部分指出，该模型的创新性在于首次将双峰分布特性与通道阻塞效应耦合建模。虽然在高湍流强度环境下仍需进一步验证，但其计算效率优于CFD仿真，特别适合阵列布局的快速评估。研究获得国家自然科学基金（52271275）等资助，相关成果已应用于江苏沿海潮汐电站设计。