利用粒子图像测速技术对水平轴潮汐涡轮机近尾流特性的实验研究

《Energy》：Experimental investigation of the near-wake characteristics of a horizontal-axis tidal turbine using particle image velocimetry

　　冯梅静|张定明|梅云雷|王新如
中国北京，北京工业大学机械工程学院，100081

摘要
潮汐流能量具有可预测性强和能量密度高的特点，是海洋可再生能源中的重要形式。水平轴式潮汐涡轮机的功率性能与其近尾流结构密切相关，明确不同运行条件下功率系数与尾流结构之间的关联对于优化涡轮机性能至关重要。本研究在拖曳水槽中对两叶片水平轴式潮汐涡轮机进行了实验研究。通过主动电机控制转子转速，并结合扭矩测量与粒子图像测速技术，研究了λ值和雷诺数对功率性能及近尾流结构的影响。实验结果表明，功率系数随λ值呈单峰变化趋势。在所测试的雷诺数范围内，最大功率系数随雷诺数的增加而上升，相对增幅约为52.3%。在最优λ值附近，近尾流区域的轴向速度亏缺最为显著，低速区半径最大，叶片尖端附近的强涡旋区域更加集中，这说明更高的功率系数对应更强的轴向动量提取能力以及更为明显的近尾流膨胀现象。本研究从速度亏缺、低速区规模及涡旋分布等方面建立了水平轴式潮汐涡轮机的宏观功率性能与其近尾流结构之间的关联，为该类涡轮机的性能优化及近尾流模型验证提供了实验依据。

引言
在全球向低碳能源系统转型的背景下，由于其可预测性、高能量密度以及稳定的供应特性，潮汐流能量在海洋可再生能源领域受到了越来越多的关注[[1], [2], [3]]。由于水平轴式潮汐涡轮机具有较高的能量转换效率、成熟的结构设计以及较低的负荷波动性，因此被视为提取潮汐流能量的最具前景的装置之一[4]。对于这类涡轮机而言，其尾流结构不仅反映了转子对来流动量和能量的提取情况，还直接影响下游流体的恢复、涡轮机之间的间距以及阵列布局的效率。尤其是在近尾流区域，叶尖涡旋、轮毂尾流、速度亏缺区以及剪切层之间相互作用，共同决定了尾流的初始膨胀程度、动量恢复情况以及湍流混合过程。因此，了解不同运行条件下涡轮机功率性能与近尾流结构之间的关联，对于理解其流体动力学性能并支持设计优化具有重要意义。

目前，人们已通过数值模拟、理论建模以及实验测量等多种方法广泛研究了水平轴式潮汐涡轮机的功率性能与尾流特性。数值模拟能够提供较为完整的三维流场信息，有助于分析复杂来流条件下的尾流恢复、阵列相互作用以及流动机制。RANS和LES方法已被广泛应用于水平轴式潮汐涡轮机及风力涡轮机的尾流预测、负荷分析以及复杂来流效应的研究中[[5], [6], [7]]。CFD方法则能够详细解析速度亏缺、湍流强度以及相干涡旋结构等局部流动特征；不过，其计算结果往往会受到湍流模型、网格分辨率、边界条件以及计算成本等因素的影响。因此，在保持流场预测精度的同时提升计算效率，仍是尾流结构研究中的一个重要课题。

近年来，数据驱动方法以及降阶模型被引入到风力涡轮机及水平轴式潮汐涡轮机的尾流预测中，为快速重建和预测复杂的尾流场提供了新的途径。周等人[8]基于d-POD和LSTM方法开发了一种用于非稳态风力涡轮机尾流速度场的替代模型，并利用高精度的LES数据验证了该模型预测近尾流及远尾流动态的能力。他们的研究表明，将延迟阶数从1提高到16后，d-POD系数的预测误差可降低约80%，这体现了降阶数据驱动方法在快速尾流预测方面的潜力。然而，这类模型的训练、验证以及物理意义阐释仍需要高质量的流场数据，尤其是能够清晰呈现速度亏缺、剪切层以及相干涡旋结构的实验数据。

此外，复杂非稳态来流条件下旋转机械的流场与负荷之间的耦合关系也受到了重视。文等人[9]利用LES方法研究了NREL 5兆瓦水平轴风力涡轮机在移动龙卷风作用下的动力负荷响应及流场演变情况。他们的研究表明，极端的非稳态来流会显著改变涡轮机的负荷、压力响应以及局部速度分布，同时还会伴随明显的涡旋脱落与涡旋消散现象。尽管这项研究针对的是风力涡轮机而非水平轴式潮汐涡轮机，但它从另一个角度表明，明确转子周围的近场流结构对于理解能量交换、负荷响应以及尾流演化过程具有重要意义。

近年来，研究人员还采用了多种实验测量技术对水平轴式潮汐涡轮机的尾流进行了实物模型研究。张等人[10]使用两台声学多普勒速度计，在波浪与潮流共同作用的情况下测量了三叶片涡轮机的三维速度场，结果表明采样点的布置会影响流场测量结果的清晰度。陈等人[11]进一步利用声学多普勒速度计测量了三叶片涡轮机下游20D范围内的三维尾流速度场，揭示了远尾流区域的速度恢复特性。刘等人[12]在带涵道式涡轮机下游5D、7D、10D和12D处设置了声学多普勒速度计探头，而张等人[10]则采用了类似的远尾流测量方案。这些研究表明，声学多普勒速度计适用于获取局部速度信息以及时间平均后的尾流统计数据；但由于该技术通常为单点测量方式，难以同时获取同一平面上的瞬时速度场，因此在识别近尾流区域的非稳态涡旋结构方面存在局限。

为克服声学多普勒速度计在近尾流测量中的不足，Aghsaee等人[13]在研究流深变化对涡轮机性能影响时，使用激光多普勒速度计测量了水平轴式潮汐涡轮机下游0.5D处的近场速度。不过，为了确保平均速度的收敛性，每个测量点都需要较长的采样时间。Allmark等人[14]利用激光多普勒速度计研究了随机来流条件下的涡轮机尾流特性，他们指出，尽管激光多普勒速度计不会干扰流场，属于非侵入式测量方法，但它仍然是一种单点时间平均测量技术，因此在捕捉短期流动波动方面存在局限，且操作相对复杂。Lieber等人[15]则将无人机观测与声学多普勒电流剖面仪相结合，用于量化静止漂浮式潮汐涡轮机周围的真实湍流流场。张等人[16]在舟山普陀-胡芦通道进行了为期两个月的声学多普勒电流剖面仪实地测量，旨在评估该通道的潮汐流能量潜力。不过，声学多普勒电流剖面仪更适合大规模流场观测，很少用于测量叶尖涡旋及近尾流剪切层等小型结构。

相比之下，粒子图像测速技术具有非侵入式测量、多点同步采集、相位锁定成像以及高空间分辨率等优点，能够获取瞬时的二维速度场。Di Felice等人[17]在循环水槽中对五叶片涡轮机的尾流进行了相位锁定粒子图像测速测量，捕捉到了从转子到近尾流区域1.5D范围内叶尖涡旋的非稳态演化过程，为理解叶尖涡旋不稳定性机制提供了新的见解。Lust等人[18]也利用粒子图像测速技术研究了波浪作用下半叶片涡轮机的尾流结构。他们通过高分辨率CCD相机、24像素的探测窗口以及50%的重叠率，获得了大约1.9毫米的速度矢量间隔，从而清晰地展示了厘米级尺度的叶尖涡旋结构。总体而言，与声学多普勒速度计、激光多普勒速度计以及声学多普勒电流剖面仪相比，粒子图像测速技术在捕捉瞬态近尾流结构、提升流场空间分辨率以及避免测量干扰方面具有明显优势。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，以往的研究往往分别探讨功率性能与尾流结构，而功率系数与近尾流速度亏缺、低速区规模以及涡旋分布之间的定量关系尚未得到充分阐明。因此，很难从局部流场响应的角度解释λ值和雷诺数变化所导致的能量提取差异。另一方面，现有的粒子图像测速实验主要针对特定的叶片数量、来流条件或尾流区域，而在受控的λ值和雷诺数条件下，两叶片水平轴式潮汐涡轮机的功率性能与近尾流结构之间的关联也尚未得到充分研究。特别是在最优功率条件附近，峰值速度亏缺、低速区扩张以及叶尖涡旋浓度如何共同体现转子的能量提取过程，仍需进一步的定量分析。

正是基于这些问题，本研究在拖曳水槽中对两叶片水平轴式潮汐涡轮机进行了实验研究。研究采用带有闭环控制的主动电机来调节转子转速，同时结合动态扭矩测量与粒子图像测速流场测量技术，系统分析了λ值和雷诺数对功率性能及近尾流演化过程的影响。与被动式流驱动运行方式相比，主动电机控制能够在不同运行条件下保持稳定的转子转速，从而减少转子转速波动对扭矩测量及粒子图像测速数据采集的影响，进而更直观地建立功率系数与相应近尾流结构之间的关联。本研究重点分析了近尾流区域的轴向速度亏缺、低速区半径以及涡旋分布等拓扑特征，并进一步探讨了它们与功率系数变化之间的物理关联。研究结果为水平轴式潮汐涡轮机的性能优化以及近尾流模型验证提供了实验依据。

实验装置
实验中使用的小型高精度拖曳水槽如图1所示。该水槽的总长度为8.2米，横截面宽度为1.5米，最大水深为1.20米。实验时水深设定为1.05米，有效拖曳长度为7.0米，最大拖曳速度为1米/秒。水槽由钢架和钢化玻璃构成，测试段（如图1中的红色框所示）由三块3.0×1.5米的双层钢化玻璃组成。

功率特性分析
图11展示了在不同来流速度U0条件下，涡轮机功率系数CP随λ值的变化规律。对于所有的U0值，CP-λ曲线均呈现单峰分布：CP值先随λ值增加而上升，随后又下降，最大功率系数CP,max对应的λ值即为最优λ值λopt，这一结果与以往的研究结论一致[19,24]。比较不同U0值下的λopt位置可以发现，随着U0值的增大，λopt会向更小的λ值方向偏移。这一现象与相关研究结果相符。

结论
通过拖曳水槽实验与粒子图像测速测量，本研究分析了不同λ值和雷诺数条件下两叶片水平轴式潮汐涡轮机的功率性能及近尾流结构，探讨了功率系数与速度亏缺、低速区半径以及涡旋分布之间的关系。主要结论如下：
(1) 涡轮机的功率系数Cp随λ值呈单峰变化趋势。随着λ值的增大，涡轮机逐渐从能量转换效率较低的状态过渡到较高效率状态。

作者贡献说明
冯梅静：论文撰写——审阅与编辑、资源准备、项目管理、研究方法、资金申请、概念构思。
张定明：论文撰写——初稿撰写、软件应用、研究方法、实验研究。
梅云雷：论文撰写——审阅与编辑、研究方法、数据整理、概念构思、论文初稿撰写。
王新如：研究方法。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2025YFE0110400）、教育部中央高校基本科研业务费资助项目（编号：2 2050205）以及哈尔滨工程大学自主水下航行器技术国家重点实验室的支持（编号：2025-HYHKQWDZC02）。