通过叶尖渗透性控制潮汐涡轮机叶尖涡与空化现象的研究

针对潮汐涡轮机叶尖涡引发的空化、噪声和效率问题，本研究创新性地提出通过局部渗透性处理控制叶尖涡。研究发现Da≈10-5的最优渗透率可使涡核最小压力系数提升63%，显著降低空化风险，且对功率系数影响可忽略（<0.75%）。这项被动控制策略为突破叶尖速比限制提供了新途径。

　　

随着全球向净零排放转型，开发风能和海洋能等可再生能源至关重要。目前风能已满足全球10%的电力需求，而潮汐能在英国有望满足11%的年电力需求。然而，风力和水力涡轮机在将可再生能源转化为电能时，都面临着叶片叶尖涡流带来的重大挑战。

叶尖涡流由翼型或叶片尖端的压力差产生，会形成尾迹涡流，导致空化、噪声和效率问题。特别是潮汐涡轮机在水下运行，其叶尖经历最高流速，在高叶尖速比(TSR)下，叶尖涡内部的低压会导致空化现象。此外，由于海水的腐蚀性，叶片侵蚀和损坏的风险很高。这些问题限制了涡轮机TSR的进一步提高，而提高TSR对气动水力效率和减小动力传动系统尺寸都有利。

在这项发表在《Renewable Energy》上的研究中，剑桥大学研究团队提出了一种新颖的被动控制方法——通过叶尖渗透性处理来控制叶尖涡流，旨在减轻叶尖涡强度和相关空化风险。

研究人员采用稳态叶片解析雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法对水平轴潮汐涡轮机进行建模，并使用SST k-ω湍流模型。通过ICEM-CFD对计算域进行离散化，采用约1700万个六面体细胞的结构化网格。叶尖渗透性通过在叶片尖端部分包含一个多孔区域来建模，该区域被指定为多孔介质，使用达西模型添加动量汇项。研究通过四组网格分辨率评估数值不确定性，并采用最小二乘法进行不确定性评估。同时通过水洞实验中的粒子图像测速(PIV)对半翼模型进行验证，与CFD结果显示出良好一致性。

4.1 涡流模式

结果显示，与基线案例相比，渗透性叶尖处理显著减轻了主要叶尖涡(PTV)强度和相关的涡核压力下降。当渗透率增加到Da=10^-4时，叶尖压力侧角附近的流动分离再次变得显著；当渗透率降低到Da=10^-6时，在吸力侧附近观察到更强的PTV，表明存在控制叶尖涡的最佳渗透率范围。

4.2 涡核处的压力系数

研究发现，在Da≈10^-5的最佳渗透率下，叶尖涡强度显著降低，涡核处的最小压力系数从-45.7增加到-22.0，相对变化达52%。在不同叶尖速比(λ=4.52-7.54)下，所有结果都显示涡核压力下降显著减轻，且在较高TSR下缓解效果更加显著，相对增加达到63%。

4.3 功率和推力性能

渗透性叶尖处理对涡轮机功率和推力性能的影响有限。在Da=10^-5的最佳情况下，功率系数(C_P)在λ=6.03时仅下降0.75%，推力系数(C_T)下降1.06%。推力系数的降低有利于降低涡轮机的平准化能源成本，因为可以减小结构载荷、简化动力传动系统并延长涡轮机寿命。

4.4 涡流参数和流动物理

通过分析涡流参数发现，渗透性叶尖处理的有效性主要来自于增大的涡流粘性核心半径，而环量几乎保持不变。与基线案例相比，应用渗透性叶尖后涡流半径扩大，导致涡流扩散增强，从而减轻了涡核处的压力下降。

本研究提出了一种新颖的被动、小尺度流动控制策略，通过在叶片尖端引入局部渗透性来减轻尾迹叶尖涡和相关压力下降（可能导致空化）。与修改叶片几何形状或采用主动控制技术的传统方法不同，这项研究表明引入仅占涡轮直径0.1%的薄渗透区可以显著改变涡流动力学，同时保持叶片系统的性能。

研究结果确定了涡流控制的新物理机制——通过局部渗透性操纵叶尖涡结构而不影响叶片的水动力性能。在不同TSR下缓解效果的一致性表明其鲁棒性和适用于实际工况的适用性。对功率和推力系数的最小影响（所有情况下均小于1%）强调了这种方法的实际可行性。

这些发现为通过材料和结构设计进行被动流动控制提供了新方向。通过渗透性控制叶尖涡的概念对于提高涡轮机、螺旋桨、无人机以及水下和空中环境中升力面的空气动力和水动力性能具有更广泛的意义。

下一步研究重点是深入了解非定常流体动力学，特别是叶尖涡、空化云和渗透性尖端结构之间的复杂相互作用。将大涡模拟(LES)与空化模型耦合至关重要。此外，未来工作将探索实验验证和结构实施策略，从简化翼型模型开始逐步向涡轮叶片推进，并将此概念扩展到尾迹动力学和噪声控制领域，在各种涡轮机械系统以及空中和水下飞行器设计中具有潜在应用前景。

然而，虽然基于渗透性结构的流动控制概念 fundamentally 新颖且显示出强大潜力，但其实际实施可能需要高精度制造来实现精细尺度的渗透结构。此外，在恶劣海洋环境中可能出现的生物污染、局部堵塞和长期结构耐久性等问题都是重要的考虑因素。这些挑战突显了需要流体动力学、先进制造、结构力学和材料科学领域的跨学科合作，以推动这一概念走向实际应用。