带有前缘突起的潮流水轮机的空化现象及噪声特性

《Renewable Energy》：Cavitation phenomenon and noise characteristics of the tidal current turbine with leading-edge tubercles

针对兆瓦级潮汐涡轮机空化侵蚀与振动问题，本研究引入仿生叶尖气泡腔抑制器，通过数值模拟与空化水洞实验验证，抑制器有效控制空化发展并降低辐射噪声，为涡轮机优化设计提供新思路。

　　在当今社会，随着经济的快速发展和能源需求的不断增长，清洁能源的开发和利用成为全球关注的焦点。特别是在中国，随着对“碳中和”和“碳达峰”目标的不断推进，合理优化能源结构，提升清洁能源在整体能源消费中的比例，是实现可持续发展的重要途径。其中，潮汐能作为一种具有巨大潜力的海洋可再生能源，因其资源丰富、可预测性强等优点，受到了广泛的关注。潮汐能转换装置，即潮汐能涡轮机，正在从早期的千瓦级向兆瓦级发展，这种趋势不仅反映了技术的进步，也体现了对更大规模能源获取的需求。

潮汐能涡轮机的设计借鉴了风力涡轮机的技术，但其面临的环境条件更为复杂。海水流动受到海浪、海底地形、涡轮机偏转角度等因素的影响，这些因素对涡轮机的尾流特性和发电效率有着显著的影响。因此，在设计过程中，必须充分考虑这些因素，以确保涡轮机在各种海洋环境中的稳定运行。随着技术的不断进步，潮汐能涡轮机的尺寸也在逐渐增大，这使得涡轮机叶片的尖端线速度更加接近自由液面，从而导致空化现象的出现。空化不仅会引发叶片的振动和噪声，还可能造成叶片材料的侵蚀，影响涡轮机的使用寿命和运行安全。

为了应对这一挑战，研究人员开始探索各种空化抑制方法。其中，被动控制方法因其结构简单、成本低廉、易于维护和推广，受到了广泛关注。被动控制主要包括改变叶片的几何结构或表面材料特性，例如使用空化发生器、粗糙区域、管槽结构以及前缘隆起结构（LE tubercles）等。这些方法通过改变叶片表面的流动特性，从而减少空化的发展和影响。特别是在近年来，LE tubercles作为一种新的仿生结构，因其在失速控制和空化抑制方面的良好表现，成为研究的热点。

LE tubercles的引入源于对自然界生物结构的观察，例如鲨鱼皮上的鳞片和鲸鱼尾鳍上的褶皱。这些结构能够有效改善流体在生物体表面的流动特性，减少涡流的形成，提高能量转换效率。将这一原理应用于潮汐能涡轮机叶片设计中，可以有效改善叶片在高流速条件下的性能。研究表明，LE tubercles能够增加叶片吸力面的初始空化数，从而延缓空化的发生。同时，这些结构还能促使空化在叶片的沟槽中分离，从而有效抑制空化的体积和周期性发展。更重要的是，当叶片吸力面的空化现象更加严重时，LE tubercles能够显著降低由空化引起的辐射噪声。

空化噪声是水下辐射噪声的重要来源之一，其对海洋生物的影响不容忽视。因此，深入研究LE tubercles对空化抑制和噪声降低的机制，对于提高潮汐能涡轮机的运行效率和环境友好性具有重要意义。目前，已有多个研究团队通过数值模拟和实验测试的方法，对LE tubercles在不同应用场景下的性能进行了系统分析。这些研究不仅验证了LE tubercles在抑制空化和降低噪声方面的有效性，也为后续的工程应用提供了理论支持和技术指导。

此外，LE tubercles在轴流涡轮机、螺旋桨以及潮汐能涡轮机等设备中的应用也取得了显著进展。例如，通过数值模拟，研究人员发现LE tubercles能够有效抑制空化现象，减少空化的体积，并降低流体动力学系数的波动。这些成果表明，LE tubercles不仅能够改善涡轮机的流体动力学性能，还能在一定程度上提高其运行的稳定性。然而，当前的研究主要集中在LE tubercles对气动噪声的影响，而对空化噪声的研究相对较少。因此，有必要进一步探讨LE tubercles在空化抑制和噪声降低方面的具体作用机制。

本文旨在通过数值模拟和实验测试的方法，系统研究LE tubercles对潮汐能涡轮机空化抑制和噪声降低的影响。研究设计了两种适用于空化测试的涡轮机模型，基于改进的Blade Element Momentum (BEM)理论和相似性原理，构建了完整的涡轮机叶片数学模型。通过对比分析，研究探讨了LE tubercles在不同空化数条件下的抑制效果，并分析了其对辐射噪声的影响机制。实验测试部分利用了空化水洞测试系统（CWTTS），对带有和不带有LE tubercles的涡轮机测试样品进行了空化观察和噪声特性测试。结合数值模拟结果，研究揭示了LE tubercles在空化抑制和噪声降低方面的具体作用。

研究结果表明，LE tubercles能够显著提高涡轮机叶片的抗空化性能，减少空化的体积，并抑制其周期性发展。特别是在空化现象较为严重的情况下，LE tubercles能够有效降低由空化引起的辐射噪声。这主要是因为LE tubercles能够通过改变空化的形态和分布，减少空化脱落的不稳定性，从而降低噪声的产生。此外，研究还发现，空化噪声的产生与空化形态的变化密切相关，因此，通过优化空化的分布和周期性发展，可以有效降低噪声水平。

本文的结构安排如下：第二部分介绍了全尺寸涡轮机叶片的参数设计和数值模型构建，以及空化圆柱测试的设计方案和所采用的数值模拟方法。第三部分通过空化水洞测试系统（CWTTS）对带有和不带有LE tubercles的涡轮机测试样品进行了空化观察和噪声特性测试，并结合数值模拟结果，分析了LE tubercles在不同空化数条件下的抑制效果及其对辐射噪声的影响机制。第四部分总结了本文的主要结论，并展望了未来的研究方向。

在实际应用中，LE tubercles的设计需要考虑多个因素，包括叶片的几何形状、材料特性以及运行环境等。为了确保LE tubercles能够发挥最佳的抗空化和降噪效果，必须在设计过程中进行详细的优化和调整。此外，由于LE tubercles的结构较为复杂，其制造和安装也需要一定的技术支持和成本投入。因此，在推广和应用LE tubercles时，需要综合考虑技术可行性、经济性和环境影响等因素。

总的来说，LE tubercles作为一种新型的仿生结构，在潮汐能涡轮机的设计中展现出广阔的应用前景。通过优化其结构参数和布局，可以有效提高涡轮机的抗空化性能和运行稳定性，同时降低其噪声水平，从而提升整体的能源转换效率和环境友好性。未来的研究应进一步探索LE tubercles在不同工况下的性能表现，并结合实际工程需求，开发更加高效和经济的解决方案。这不仅有助于推动潮汐能技术的发展，也为其他类型的水力设备提供了新的设计思路和技术支持。