高保真IDDES模拟研究了在集中波浪-水流相互作用作用下，潮流水流涡轮机的不稳定流体动力学特性及尾流演变规律

《Renewable Energy》：High-fidelity IDDES simulations of unsteady hydrodynamics and wake evolution characteristics of a tidal current turbine under focused wave-current interaction

本研究开发了高保真波流耦合数值模型，揭示极端波流环境下潮汐涡轮的瞬态水动力特性与尾流演化规律。结果表明，波流相互作用显著加剧了功率和推力系数的瞬时波动（分别达98倍和177倍增幅），并引发尾流速度畸变、涡强化和滞后效应，同时导致局部压力异常。该模型为极端海洋环境下潮汐涡轮结构安全评估和能量捕获优化提供了理论支撑。

　　

尹民伟|季仁伟|朱仁清|孙珂|张建华|程勇|张玉泉|Ratthakrit Reabroy

江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江212100，中国

摘要

在极端的海洋环境中，潮汐流涡轮机会受到集中波浪和水流的复杂非稳态载荷影响，这显著影响了其性能。为了研究这些效应，开发了一个高保真的数值模型，该模型结合了线性波浪叠加原理（包含分量波校正）、改进的延迟脱离涡模拟和体积流体方法。该模型系统地分析了在不同波浪幅度下，涡轮机的流体动力学特性和尾流演变。结果表明，虽然波浪与水流的相互作用对时间平均系数影响较小（变化幅度<0.6%），但会大幅加剧瞬时波动。例如，在极端条件下，功率和推力系数的波动范围分别增加了约98倍和177倍，功率输出在波浪聚焦时刻短暂接近零。频率分析显示，低频功率波动受集中波浪峰值频率（约0.6 Hz）控制，而中高频峰值与叶片通过频率的谐波一致。在波浪聚焦峰值处，特别是在叶片尖端和中间跨度区域，会出现严重的压力扰动，下游表面形成局部正压区。涡轮机尾流在集中波浪作用下表现出速度畸变、涡旋增强以及明显的滞后效应。尽管这些波浪增强了动量交换，但也加速了涡旋破裂。这些发现阐明了极端波浪条件下潮汐流涡轮机的瞬态载荷机制和尾流动力学特性，突显了对潮汐能发电的潜在影响。

引言

作为清洁能源系统的核心组成部分，海洋可再生能源的大规模发展是全球能源转型的关键途径[1]。在各种海洋能源中，潮汐能因其高度的可预测性和优越的能量密度[2]而备受重视[3]，使其成为工程应用中最有前景的技术之一[4]。特别是潮汐流涡轮机（TCTs）越来越被视为将可预测的潮汐流转化为可靠可再生能源电力的关键技术[5]。中国舟山群岛拥有独特的潮汐能资源，那里的高平均流速为潮汐能开发提供了理想条件。这些条件有利于潮汐流涡轮机在海洋可再生能源项目中的实际应用[6]。

然而，舟山地区岛屿和礁石的复杂地形在极端天气条件下带来了重大挑战。在台风期间，从开阔海域传播的强波浪会在岛屿和海角周围发生折射、衍射和反射[7]。这些过程导致与强潮汐流的强烈非线性相互作用，容易引发波浪聚焦现象[8]。这种相互作用不仅显著改变了波浪场，还可能引发局部异常涌浪和极端波浪事件，对海上基础设施安全构成严重威胁。部署在该地区的潮汐流涡轮机，在这种高度非稳态的波浪-水流环境下，其流体动力学性能、结构承载能力和运行稳定性可能会遭受严重瞬态扰动[9]。

在这方面，关于极端波浪与海洋结构相互作用的研究取得了显著进展。学者们研究了集中波浪-水流相互作用对海上风力涡轮机基础[10]、半潜式平台[11]的慢速漂移运动以及浮动风力涡轮机系泊系统的谐波响应[12]的非线性冲击载荷，强调了集中波浪的强烈瞬态激励潜力。

相比之下，专门针对极端聚焦波浪条件下潮汐流涡轮机的研究仍然有限。Draycott等人的著名实验工作[13]量化了由集中波浪群引起的瞬态载荷和功率峰值。大多数其他关于潮汐流涡轮机流体动力学性能的研究则集中在稳定的均匀流场或规则波浪-水流条件下[14]、[15]。一些作者应用了流体-结构相互作用（FSI）来研究叶片变形和平均性能变化[16]，还有一些研究了规则波浪下的尾流行为和功率调制[17]。然而，这些研究通常假设周期性或统计上稳定的载荷条件，因此可能无法完全捕捉极端波浪事件的高度瞬态特性[18]。

先前的集中波浪实验表明，在极端事件中，涡轮机载荷和功率的瞬态放大效应显著。这种极端波浪-水流相互作用可能导致能量丰富的沿海环境中涡轮机的载荷突然放大和尾流不稳定[19]。

尽管有这些实验观察结果，但对高度瞬态、非周期性激励下的流动过程和三维尾流动力学的系统数值和机理研究仍然有限。特别是，尚未完全解析集中波浪作用下涡轮机的瞬时冲击载荷机制、瞬时功率的突然变化以及随后尾流场的畸变和恢复过程[20]。

因此，潮汐流涡轮机的设计和安全评估实践在全面考虑此类极端瞬态情景方面仍面临挑战[21]。因此，深入理解集中波浪-水流相互作用及其对涡轮机动力学的影响尤为重要，这激发了本研究对这些机理问题的探索。

为了解决这一空白，本研究系统地阐明了在极端波浪和水流组合条件下运行的潮汐流涡轮机的流体动力学特性和流场演变。为此，开发了一个高保真的波浪-水流-结构耦合数值模型，将改进的延迟脱离涡模拟（IDDES）方法与体积流体（VOF）方法相结合。本研究的核心贡献首先在于提出了一种在均匀流场中对分量波参数进行相位校正的策略，从而能够精确数值生成集中波浪。基于这一建立的环境，对潮汐流涡轮机的性能进行了全面的比较分析，包括瞬态流体动力学系数、频谱功率特性和叶片载荷分布。此外，该研究阐明了集中波浪引起的动态耦合机制和相关滞后效应。这些发现为极端波浪引起的扰动如何重塑三维尾流结构和涡旋演变提供了新的见解。

从工程角度来看，本研究的结果与潮汐能发电相关。它们提供了机制上的见解和高保真的定量表征，有助于评估部署在极端海洋环境中的潮汐流涡轮机的结构完整性、运行稳定性和尾流干扰。

章节片段

控制方程

流体流动受不可压缩流体的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程控制。连续性和动量方程表示如下[22]。

连续性方程：$$