海洋潮流能涡轮机非定常流动与叶片结构振荡耦合作用的高保真数值分析

本研究针对海洋潮流能涡轮机面临的非定常载荷问题，通过耦合计算流体动力学(CFD)与有限元分析(FEA)方法，提出了一种非线性频域求解技术。研究发现叶片振荡使推力、扭矩和功率系数较刚性叶片提升5.5倍，同时将计算时间缩短至2.5小时，为涡轮机水弹性性能优化提供了高效分析工具。

　　

在可再生能源领域，海洋潮流能因其可预测性成为备受关注的新兴能源。然而，水平轴式潮流能涡轮机在实际运行中面临严峻挑战——非定常流体载荷引发的结构振动问题，这不仅影响能量转换效率，更威胁设备寿命。随着复合材料在叶片制造中的广泛应用，轻量化设计带来的水弹性耦合效应日益凸显。当前技术瓶颈在于：传统时域分析方法计算成本高昂，而简化模型又难以准确捕捉流固耦合的复杂动力学特征。

为突破这一困境，Shine Win Naung团队在《International Journal of Low-Carbon Technologies》发表了创新性研究。研究采用三大核心技术：1）耦合CFD-FEA的模态分析方法，通过11.484 Hz首阶振型模拟2%叶展振幅的振荡；2）非线性频域求解技术，将Navier-Stokes方程转化为傅里叶系数形式；3）k-ω SST湍流模型结合位移扩散法处理动网格，对直径10米的Wortmann FX 63-137翼型涡轮机进行单通道建模。

3.1 验证研究

通过刚性叶片稳态模拟验证模型可靠性，功率系数与参考数据误差控制在6%以内，为后续水弹性分析奠定基础。

3.2 涡轮转子叶片的水弹性分析

模态分析显示叶片首阶弯曲振型在叶尖处位移最大。频域法与时域法的对比验证中，非定常压力振幅系数(C_p1)在90%叶展处吻合度达87%，而振荡使该区域时均压力系数(C_p)产生13%的偏差。

关键发现：

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  动态载荷放大效应：振荡使推力/扭矩系数峰值达刚性叶片的5.5倍

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  稳定振荡机制：压力面稳定效应主导，正阻尼比(0.06-0.07)确保运行安全

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  流动调控特性：叶尖涡强化使近场流速提升18%，尾流区混合效率提高

技术突破：

非线性频域方法将60小时的传统计算缩短至2.5小时，且精度损失小于5%。研究首次证实频域法在海洋能装备流固耦合分析中的适用性，为大型阵列优化设计提供新范式。

该研究对行业产生深远影响：一方面揭示了复合材料叶片在动态载荷下的性能演变规律，另一方面建立的高效分析框架，将助力LCOE(平准化度电成本)从当前259英镑/MWh降至2035年预期的78英镑/MWh。正如作者指出，该方法可扩展应用于漂浮式涡轮机与极端波浪耦合分析，为下一代海洋能装备研发提供关键技术支撑。