对转水平轴潮流能水轮机流动与能量特性的数值研究

为解决传统单叶轮潮流能水轮机能量转换效率不足的问题，研究人员采用计算流体动力学(CFD)方法，对反向旋转水平轴水轮机的流动特性与能量转换机制开展数值模拟。研究发现，后叶轮能显著提升输出功率（最高达1800rpm工况），并通过压力场、流线场分析揭示了尾流扩展规律，为后续结构优化提供了理论支撑。

　　

全球能源危机与环境污染的双重压力下，海洋潮流能因其可预测性强、能量密度高等优势成为研究热点。然而传统单叶轮水轮机存在能量提取效率低、尾流扰动大等问题。针对这一瓶颈，中国某高校（根据CRediT声明推测为国内机构）的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，创新性地采用反向旋转水平轴结构，通过数值模拟与实验验证相结合的方式，揭示了双叶轮协同增效的物理机制。

研究采用计算流体动力学(CFD)中的剪切应力传输(SST) k-ω湍流模型，构建包含200rpm至1800rpm四组转速的仿真体系。通过对比单/双叶轮配置下的压力场、流线场数据，结合粒子图像测速(PIV)实验验证，系统分析了尾流速度亏损与湍动能传递规律。

能量特性
通过量化功率系数发现：后叶轮使系统输出功率提升显著，在最优叶尖速比下达到峰值。速度三角形分析表明，反向旋转结构有效降低了前叶轮尾流的旋转动能损失。

流动特性
压力分布显示后叶轮能加速前叶轮尾流压力恢复，流线可视化证实其可抑制涡旋脱落。速度场量化数据表明，1800rpm工况下轴向速度亏损减少23%，证明高转速适应性更佳。

结论与意义
该研究首次阐明反向旋转叶轮通过"能量二次捕获"机制提升效率：后叶轮不仅回收前叶轮尾流旋转动能，还通过径向流动强化促进湍动能耗散。这一发现为新一代高效潮流能装置设计提供了关键理论依据，尤其对高湍流海域的机组阵列优化具有指导价值。研究采用的SST k-ω模型与PIV验证相结合的方法，为后续海洋能装备研发建立了可靠的数值-实验协同分析范式。