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第35 卷第4 期2014 年4 月太阳能学报ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICAV o l. 35，N o． 4Apr．，2014文章编号: 0254-0096( 2014) 04-0599-06基于叶素-动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析王树杰，陈存福，谭俊哲，袁鹏，周学志( 中国海洋大学工程学院，青岛266100)摘要: 运用简化风车理论对水轮机叶片进行设计，基于叶素-动量( BE M)理论，采用Glauert 修正，计算水轮机在不同工况下功率、转矩等水动力性能，得到不同工况下水轮机性能曲线;在风浪流水槽中进行模型试验，对叶素动量理论计算结果进行验证，为水轮机性能分析提供理论支持。
关键词: 水平轴水轮机; 叶片; 叶素-动量理论; 水槽试验中图分类号: TK73 文献标识码: A0 引言潮流能获能装置形式多样，水平轴水轮机作为其中一种，在潮流能的开发中被广泛使用。
水轮机水动力性能直接决定着机组的发电效率及运行状况，因此，选取有效便捷的性能预测方法至关重要。
现阶段研究手段主要有3种: 试验、理论分析和计算流体动力学( C FD) 模拟。
理论分析由于条件和成本低廉而得到较大发展。
Universit y of Southampton的A．S．B ahaj等［1 ～4］利用GH-T idal B laded和SEＲG- T idal软件研究了水轮机在不同桨距角下的水动力学性能。
该软件基于叶素-动量理论，通过分析叶片二维截面的性能，积分得到整机性能，并进行水槽试验，验证了软件的正确性。
浙江大学马舜等［5］和刘宏伟等［6］利用B E M 对水平轴潮流能水轮机轴向力进行计算分析，运用B laded软件进行对比分析，取得较为理想的效果。
哈尔滨工程大学利用动量定理和流管理论研究了垂直轴水轮机性能［7］。
本文在叶素-动量理论的基础上，引入叶尖和轮毂损失修正，使模型更加接近实际工况，预测不同工况下水轮机水动力性能; 并进行水轮机模型水槽试验，得到水轮机流场特性和水动力性能参数; 并对比理论与试验结果，对理论分析结果进行验证。
基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究张玉全;郑源;孙勇;张继生;臧伟;刘惠文【摘要】相比于三维CFD叶片真实模拟,致动盘方法将水轮机简化为流场中分布有作用力的核心区域,所需网格大大降低,节省了计算资源和计算时间.文章介绍了一种精度适中、计算成本较低的潮流能水轮机CFD致动盘数值模拟模型,将动量理论与CFD方法相结合,通过致动盘来模拟水轮机对流场的作用,通过求解Navier-Stokes方程获得尾流场.对比基于致动盘理论的数值模拟结果与真实水轮机的水槽实验数据,结果表明,致动盘数值模拟在远尾流处的结果比近尾流处更加接近实验值,致动盘方法很容易捕捉到远尾流的流场情况.研究结果可为潮流能大规模利用的数值模拟提供依据和参考.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】7页(P144-150)【关键词】潮流能水轮机;尾流场;致动盘方法;模型实验;数值模拟【作者】张玉全;郑源;孙勇;张继生;臧伟;刘惠文【作者单位】河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100;河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100;江苏省秦淮河水利工程管理处,江苏南京 210001;河海大学港口海岸与近海工程学院, 江苏南京 210098;河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098;河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TK6;P743.20 引言相比于其它形式的海洋可再生能源，潮流能在能量密度、稳定性、可预测性和生态环境等方面具有诸多优势，因此，对潮流能水轮机的研究也日益受到关注。
为了最大化利用潮流场的能量，往往需要在潮流场中布置多台水轮机机组，并且尽可能缩小机组间距以增加机组数量，下游水轮机往往会处于上游水轮机的尾流当中，尾流的恢复系数以及扩张范围对下游水轮机的负载以及整个潮流场的能量输出具有重要影响。
因此，研究上游水轮机尾流恢复的程度以及机组下游尾流的扩张程度具有重要意义。
潮汐能发电装备的水动力和流体力学研究潮汐能作为一种可再生能源的形式备受瞩目。
与传统能源相比，潮汐能具有稳定可靠、可预测性强等优势。
然而，要充分利用这种能源，需要先进的装备来将潮汐能转化为电能。
在潮汐能发电装备的设计和研发过程中，水动力学和流体力学起着至关重要的作用。
水动力学是研究水流在各种水体中的运动规律的学科，是潮汐能发电装备研究的基础。
在装备的设计过程中，需要了解水流的流速、流向、涡旋等参数，以选择合适的设备。
此外，水动力学还可以用来评估装备的运行状态，例如判断是否产生了过度的波浪或涡流，从而保证装备的稳定运行。
因此，深入研究水动力学对于潮汐能发电装备的研发至关重要。
流体力学是研究流体运动和流动性质的学科，是潮汐能发电装备设计中的一个关键点。
装备的形状、材料、结构和摩擦力等因素都会对其性能产生影响。
通过流体力学的研究，可以优化装备的设计，提高其效率。
例如，改变装备的外形可以减少流体的阻力，进而增加能量的转化效率。
此外，流体力学还可以分析装备的敏感性，评估不同条件下的性能差异，为装备的改进提供科学依据。
针对潮汐能发电装备的水动力和流体力学研究，需要开展一系列的实验和模拟。
实验可以通过模型试验和场地试验两种方式进行。
模型试验可以采用小比例的装备模型，在实验室中对其进行测试。
这种方法具有成本低、周期短的优势，可以提前发现问题并进行改进。
场地试验则需要在实际环境中进行，借助现有的潮汐能发电装备进行实地测试。
这种方法更为真实，可以获取更准确的数据，但成本较高且周期较长。
除了实验研究，数值模拟也是研究潮汐能发电装备水动力和流体力学的重要手段。
通过数值模拟，可以利用计算机对装备在不同条件下的水动力学和流体力学特性进行仿真。
数值模拟相比实验研究具有成本低、周期短、易于控制参数等优势。
它可以帮助研究人员快速得到装备设计中的各种参数和运动规律，并对其进行调整和优化。
在潮汐能发电装备的水动力和流体力学研究中，还需要考虑装备与环境的相互作用。
中国可再生能源学会2011年学术年会论文（海洋能）潮流能水平轴水轮机导流罩水动力学特性数值分析陈存福1，王树杰1,2,袁鹏1，谭俊哲1(1.中国海洋大学工程学院山东青岛266100(2.流体传动及控制国家重点实验室浙江杭州310058)摘要：运用CFD软件，采用二维模型对潮流能水轮机导流罩内部进行数值分析。
分析不同形式、不同参数下导流罩压力场和速度场，研究了线型、关键参数对导流罩水动力特性的影响。
研究表明，该数值模拟方法能够有效预测导流罩性能，为潮流能水轮机导流罩的优化设计提供一定的理论基础。
关键词：潮流能；导流罩；CFD；水动力性能基金项目：2010年海洋可再生能源专项资金（GHME2010ZC04；GHME2010GC02-2）；流体传动及控制国家重点实验室基金（GZKF-201007）通讯作者：王树杰（1961—），男，博士，教授，主要研究领域为海洋能利用、海洋机电工程。
wangshujie@0引言随着能源问题的日益严峻，各国都在积极发展高效、清洁的新型能源，许多国家把发展海洋能做为发展新能源的重大战略。
以英国为代表的欧美国家，在潮流能的研究方面走在了世界的前列[1][2]。
潮流能在世界各个地域分布差异较大，英伦三岛和北美沿岸，潮流流速较大，最大流速可达4m/s 。
我国有海岸线1.8万多千米，由于地理环境不同，各地方潮流流速差异很大。
在渤海的大部，潮流流速低于0.77m/s ；黄海流道内的流速在0.5~1.0m/s 之间；浙江和福建一些地方，流道流速在1.0~1.5m/s 之间，涨潮流速最大可达3.0m/s [2]。
中国潮流能总量蕴含丰富，但流速偏低，造成了机组过大，成本较高。
鉴于流速的制约，国内许多潮流能研究机构都在积极研究应对策略，如何在低流速下最大限度的获取潮流能量一直是研究的热点。
导流罩是一种可提高流速的装置，将水轮机置于导流罩内可较大提高罩内流速，提高水轮机工作效率。
阿根廷University of Buenos Aires 和美国University of Illinois 的F.L.Ponta 等人研究了导流罩在垂直轴潮流能水轮机中的应用[3]；Thierry MAÎTRE 等人对二维混流式水轮机导流罩进行了研究，分析了二维翼型导流罩出口对水轮机效率的影响[4]；哈尔滨工程大学的孙科等人对潮流能双向导流罩进行了初步的研究，探讨了垂直轴二维导流罩的水动力学特性[5]；中国海洋大学的王树杰等人，用LBM 算法研究了二维导流罩水动力学性能，为导流罩研究探索了新的模拟方法[6]。
配有导流涵道的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能研究张欢;程帅兵;陈兵【摘要】垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、适应任意流向等优点,但其能量转换效率低于水平轴水轮机,在运行时有较大的转矩脉动,不利于水轮机的平稳运行,易引起结构疲劳.本文针对垂直轴潮流能水轮机的运行特点,提出了一种导流涵道装置,利用数值模拟方法对比分析水轮机在有无导流涵道装置情况下的水动力性能.结果表明,导流涵道可以起到整流的作用,使流体在水轮机盘面内的流动更加平顺.另外,导流涵道装置不仅可以提高水轮机的能量利用率,还能有效改善作用在水轮机叶片上的水力驱动力矩脉动和转速脉动,改善了水轮机运行状态,提高了结构可靠性.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2016(035)004【总页数】6页(P97-102)【关键词】垂直轴水轮机;导流涵道;数值模拟;能量利用率【作者】张欢;程帅兵;陈兵【作者单位】大连理工大学海洋科学与技术学院,辽宁盘锦124221;大连理工大学海洋科学与技术学院,辽宁盘锦124221;大连理工大学海洋科学与技术学院,辽宁盘锦124221【正文语种】中文【中图分类】P743;TK73资源与能源是人类生存和发展所必须面对的问题之一。
随着化石能源的过度消耗，环境问题的日益恶化，人们不得不将目光转向那些可再生能源，如风能、太阳能、海洋能等。
潮流能不仅是一种清洁能源，而且与其他海洋能相比，具有可预测性高、能量密度大的特点，因此逐渐受到世界各国研究人员的重视。
目前，许多沿海国家，如英国、加拿大、美国、韩国等正在大力开发潮流能资源。
我国同样也投入大量的人力和财力对这一领域进行研究。
然而，由于经济因素及技术因素的制约，潮流能发电目前还未能到商业化阶段。
潮流能水轮机可分为水平轴式和垂直轴式；水平轴潮流能水轮机被认为是能量利用率最高的潮流能发电装置，据报告其能量利用率可以达到48%［1］。
但是，水平轴水轮机必须时刻使叶轮面向来流方向；另外，水平轴水轮机的叶片表面形状是复杂的扭转曲面，加工较困难。
并排水平轴潮流能水轮机组水动力特性研究张继生;曹运修;吴修广;宋凡;戴鹏【摘要】A three-dimensional (3D) hydrodynamic model was developed based on FLOW-3D.The influences of the lateral spacing and relative installation elevation of the turbines and incoming velocity on the hydrodynamics around two parallel-arranged horizontal-axis tidal stream turbines were investigated.Numerical results show that an increase of the lateral spacing between two turbines leads to a decrease of the maximum fluid force acting on the turbines in the flow direction,with a maximum decrease of 6.62%,and a decrease of the maximum velocity in the accelerating region of the wake field,with a maximum decrease of1.21%.The changes of relative installation elevation of turbines and incoming velocity have significant impacts on the rotating speed of turbines,maximum fluid force acting on turbines,and the velocity distribution within the wake field.%基于FLOW-3D软件平台建立三维水动力计算模型,研究水轮机横向间距、相对安装高度和来流速度对二台并排布置的水平轴潮流能水轮机组的水动力特性的影响.结果表明:随着横向间距的增大,水轮机组受到的与来流方向相同的最大水流作用力有一定减小,最大降幅达6.62%,尾流场中水流加速区域的最大流速也略有减小,最大降幅约1.21%;水轮机组相对安装高度和来流速度的改变,对其飞逸转速、最大水流作用力以及尾流场有显著影响.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(045)003【总页数】7页(P256-262)【关键词】潮流能;水轮机;横向间距;相对安装高度;来流速度;水动力特性;数值模拟【作者】张继生;曹运修;吴修广;宋凡;戴鹏【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098;浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098【正文语种】中文【中图分类】P743.1为了减缓能源紧张局势和改善环境污染现状，迫切需要开发清洁可再生能源[1]，而潮流能凭借其对环境影响小、可预测性强及能量巨大等优点受到广泛关注[2]。
第3期收稿日期：2014-02-10基金项目：国家自然科学基金（41106077；41476078）；浙江省自然科学基金（R5110036）；浙江省科学技术厅青年科学家培养计划项目（2013R40019）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目；浙江海洋学院校级专项作者简介：刘羽（1989-），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析.通讯作者：陈正寿（1979-），男，教授，研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析.E-mail:aaaczs@浙江海洋学院学报(自然科学版)Journal of Zhejiang Ocean University(Natural Science)第33卷第3期2014年5月Vol．33No．3May ,2014文章编号:1008－830X(2014)03－0199－10潮流能水轮机导流罩的水动力性能研究刘羽1，陈正寿1，2，赵陈1，黄聪汉3（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山316101；3.太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江舟山316057）摘要：借鉴传统水平轴潮流能水轮机结构的构造原理，本文提出一种可根据海流方向做自适应调整的轴流、悬浮式潮流能水轮机结构。
为了提高这种新型潮流水轮机的发电效率，在水轮机外围设置了曲线线型的悬浮式导流罩结构。
首先基于样机物理模型实验，验证了拟采用的CFD 数值仿真方法的有效性。
进而分别计算拟定的不同形状的10种导流罩模型结构的水动力性能，仿真结果表明收缩段和扩张段均为双三次曲线x m =0.3的对称线型导流罩具有最优的水动力性能。
最后对这种新型潮流水轮机整体结构的水动力性能展开研究，结果表明相对于无导流罩工况，水轮机叶轮加装收缩段和扩张段均为双三次曲线x m =0.3的对称线型导流罩之后，其输出功率有较大提升。
关键词：潮流能；导流罩；悬浮式；CFD ；输出功率中图分类号：TK730文献标识码：AAnalysis of Hydrodynamic Characteristicsabout Fairwater of A Current TurbineLIU Yu 1,CHEN Zheng-shou 1，2,ZHAO Chen 1,et al(1.School of Naval Architecture and Marine Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022;2.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co Ltd,Zhoushan 316101,China)Abstract:Referring to the structure of traditional axial-flow tidal current turbine and fairwater,a suspend －ing type axial-flow tidal current turbine system has been developed by the authors of this paper.In order to im －prove its power generating efficiency,a buoyancy-providing fairwater has been installed around the turbine,like diffusers used in the field of wind turbines.At first,based on the prototype experiment,the effectiveness of the proposed CFD numerical simulation has been verified.Then,by means of this CFD software,the hydrodynamic characteristics of fairwater schemes with ten different shapes have been analyzed.Through systematically compar －ison,the results show that the fairwater with symmetrical surface of x m =0.3bicubic smoothed-spline has excellent hydrodynamic characteristics.The hydrodynamic characteristics about the system of turbine and fairwater have also been studied.It has been found that the output power of the system with turbine surrounded by fairwater (symmetrical bicubic smoothed-spline surface of x m =0.3)is larger than the one in the case of open water.Key words:tidal-current energy;fairwater;suspending style;computational fluid dynamics;output power浙江海洋学院学报(自然科学版)第33卷200海洋能是指海洋中所蕴藏的各种可再生的自然能源的总称，包括潮汐能、波浪能、潮流能以及离岸风能等。
在能源消费量持续攀升和传统能源日趋紧缺的今天，海洋能作为一种储量巨大、可再生的清洁能源，其开发利用日渐受到人们的重视[1]。
潮汐能是一种周期性海水自然涨落现象,是人类认识和利用最要的一种海洋能。
在月球和太阳引潮力作用下，海水做周期性的运动，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动。
水平流动部分为潮汐的动能，被称为潮流能，其富集点多出现在群岛地区的海峡、水道及海湾的狭窄入口处，由于海岸形态和地底地形等因素的影响，流速较大，伴随的能量也巨大。
潮流能的功率密度与流速的三次方和海水的密度成正比。
与其他可再生能源相比，潮流能具有以下几个特点：较强的规律性和可预测性；功率密度大，能量稳定，易于电网的发、配电管理，是一种优秀的可再生能源；潮流能的利用形式通常是开放式的，不会对海洋环境造成大的影响。
潮流能的主要利用方式是发电。
新型潮流能发电装置与传统的潮汐能发电机组相比，其工作原理完全不同。
新型潮流能发电装置作为一种开放式的海洋能量捕获装置，不像传统潮汐能发电站那样需搭建大坝，也无需巨额的前期投资；利用该装置发电时，由于叶轮转速慢，各种海洋生物仍可以在叶轮附近流动，同时不会产生大的噪声，不影响人们的视觉环境，因此可以保持良好的地域生态环境[2]。
国外已开发出多种形式的海洋潮流能利用装置，技术相对成熟，单机容量达数百千瓦乃至兆瓦级，很多国家已进入工程示范阶段，向规模化方向发展。
而国内潮流发电装置设计功率较小，一般为十千瓦级，技术上尚处于实验示范阶段。
目前对于潮流能水轮机导流罩的水力性能研究尚处于起步阶段。
相比而言，导流聚能装置在风力发电领域的研究成果更成熟一些。
风力机扩散放大器就是在传统风力机的基础上，另外在其风轮外围加装一个静止的扩散器。
早在二十世纪五十年代，英国、日本、以色列、美国、荷兰等国就提出了将扩散器应用于风力机的想法，以英国人Lilley和Rainbird于1956年提出的扩散器理论最具代表性。
Foreman后来又通过进一步的实验，验证其可行性[3]。
2005年，陈晗[4]对安装有导流罩的弹簧控角竖轴直叶片水轮机的实验数据进行了总结分析，发现安装导流罩的水轮机的性能要高于敞水状态的水轮机。
张亮等[5]参照风力机扩散器原理设计了一种适用于竖轴直叶片水轮机的导流罩，应用Fluent软件计算了导流罩内流场情况，发现导流罩可以大大增加水轮机所在区域的水流速度，有利于提高轮机功率。
加导流罩后的轮机功率系数曲线整体上升，峰值可提高39%左右。
基于固定式轴流水轮机与导流聚能装置的构造原理，本文作者提出一种可根据海流方向做自适应调整的轴流、悬浮式潮流能水轮机结构，该结构特点就是运行平稳，稳定性较好，有较高的效率。
导流聚能装置安装于叶轮周围，用以提高这种新型潮流能水轮机的水力性能和发电效率。
文章与陈晗，张亮等人研究内容的基本区别是，本文根据相关的设计标准，更加详细地对不同曲线线型导流罩，以及15°攻角折线型导流罩的水动力性能进行综合对比，从而得出最优的导流罩线型设计方案，并且应用物理模型实验数据对文章中提出的论证方法的正确性进行了验证。
1潮流能水轮机导流罩设计1.1悬浮型潮流能水轮机结构设计潮流电站是将近海岛处海流能转化为机械能进而转化为电能的系统。
因为潮汐的影响，潮流具有在一个潮周期内流速方向呈周期性的360°方向改变的特性。
英国的SMD Hydrovision公司设计了一种锚泊式水轮机，命名为TidEL，如图1（左）所示。
该系统通过两条紧绷的锚系缆线固定于海底，翼形室和转子的浮力提供竖向缆线的张力，使系统在水下保持悬浮状态[6]。
受此启发本文作者提出的这种万向自适应、悬浮型潮流能发电机系统装置，如图1（右）所示，其设计原理是使整个系统可以漂离海底，同时缆线的牵引作用将水轮机和导流罩组成的悬浮装置锚系于海底。
该系统类似于水下风筝，工作过程中，叶轮系统的轴线第3期总是与潮流流向保持一致，可以适用不同的来流方向，从而保证较高的发电效率。
该悬浮系统的关键技术为：双导流罩和上、下平衡翼均为空心结构，上平衡翼截面加大，下平衡翼截面减小，使得整个悬浮系统浮心在上重心在下，该布局方式使得该系统具有良好的稳性；悬浮系统可根据潮流流向变化在水平面内做实时顺流姿态调整，水流方向总是与叶片旋转平面垂直；悬浮系统可依据流速大小变化在水深方向做悬浮自适应调整，较高海流下，系统自动下降到较深水层，避免结构在强流下发生破坏；较低海流下，系统自动上升到较浅水层，尽量提高系统的发电功率。
基于本悬浮装置的自适应特性，本文将着重优化导流罩水动力线型设计，以其使该系统具有更高的获能效率。
1.2导流罩的线型设计1.2.1导流罩工作原理导流罩的概念来源于风力机扩散器，是一种安装在风力机叶轮外部的集流装置，使风轮附近区域产生负压，增加了风轮对周围气流的抽吸作用，提高了风力机结构能量利用率系数。
