摘 要：通過(guò)數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究水輪機(jī)近域的流場(chǎng)特性對(duì)其水動(dòng)力性能的影響，分析遠(yuǎn)域下不同入流速度和尖速比等因素對(duì)尾流場(chǎng)特性的影響。研究結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)尖速比下，水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率的數(shù)值模擬結(jié)果（0.37）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（0.36）的誤差為0.3%，水輪機(jī)阻力系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果（0.73）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（0.76）的誤差為-4%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性；水輪機(jī)梢部存在明顯的三維流動(dòng)現(xiàn)象，水輪機(jī)盤前梢部存在由葉根流向葉梢的徑向流速（0.24 m/s），盤后梢部存在由葉梢流向葉根的徑向流速（0.14 m/s），該葉片梢部尾流區(qū)的“下洗”流速導(dǎo)致水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率下降；入流速度不會(huì)對(duì)尾流區(qū)軸向速度的恢復(fù)產(chǎn)生顯著影響；在近尾流區(qū)（距離盤面小于5D）隨尖速比的增加，尾流區(qū)軸向速度恢復(fù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，而在距離水輪機(jī)盤面超過(guò)10D之后，尖速比不會(huì)對(duì)尾流軸向速度恢復(fù)產(chǎn)生明顯影響，但尖速比的增加會(huì)使梢渦存在時(shí)間變短，梢渦破碎的位置更靠近水輪機(jī)盤面。

關(guān)鍵詞：潮流能；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)；水輪機(jī)；流場(chǎng)特性；粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）；水動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)：TM612 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0558

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0660-08

1. 北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；

2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）海洋工程學(xué)院，威海 264209；

3. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203

0 引 言

海洋能源資源是一種可持續(xù)、無(wú)污染的能源，擁有豐富的儲(chǔ)量，其開(kāi)發(fā)和利用對(duì)生態(tài)和環(huán)境的影響較小，能改善中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、緩解能源危機(jī)。潮流能作為一種清潔可再生的海洋能，由于其規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性較強(qiáng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的重視［1］。未來(lái)陣列化布置潮流能水輪機(jī)將成為一種發(fā)展趨勢(shì)［2-3］，而潮流能水輪機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的尾流會(huì)對(duì)周圍水輪機(jī)的水動(dòng)力性能產(chǎn)生影響，因此潮流能水輪機(jī)尾流場(chǎng)特性研究對(duì)潮流場(chǎng)的整體能量獲取效率至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了大量有關(guān)潮流能水輪機(jī)尾流場(chǎng)的研究，一些學(xué)者基于致動(dòng)盤理論采用多孔圓盤模型進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬。張亞超［4］采用多孔圓盤模型進(jìn)行水槽試驗(yàn)，研究了初始流速和湍流強(qiáng)度等因素對(duì)尾流場(chǎng)的影響。張玉全等［5］基于致動(dòng)盤方法對(duì)水輪機(jī)尾流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)致動(dòng)盤方法在預(yù)測(cè)遠(yuǎn)尾流場(chǎng)特性方面具有較好的精度。Myers等［6］通過(guò)致動(dòng)盤模型試驗(yàn)和模型水輪機(jī)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)致動(dòng)盤模型在近尾流場(chǎng)速度虧損量上大于模型水輪機(jī)，遠(yuǎn)尾流場(chǎng)中致動(dòng)盤模型和模型水輪機(jī)尾流恢復(fù)速率相當(dāng)。針對(duì)制動(dòng)盤理論評(píng)估水輪機(jī)近尾流區(qū)尾流特性不準(zhǔn)確的問(wèn)題，F(xiàn)ajri等［7］建立了水輪機(jī)三維數(shù)值模型，采用數(shù)值仿真的方式研究了尖速比對(duì)水輪機(jī)尾渦結(jié)構(gòu)、尾流恢復(fù)以及尾流區(qū)的湍流強(qiáng)度的影響。Ahmadi等［8］利用致動(dòng)線模型對(duì)水輪機(jī)在不同湍流條件下的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)上游湍流主要影響葉尖渦的破碎，從而影響了尾流的恢復(fù)和擴(kuò)張。趙夢(mèng)晌等［9］采用數(shù)值仿真與超聲多普勒測(cè)速技術(shù)（acoustic Doppler velocimeter，ADV）模型測(cè)試的方法研究了尾流特性與水輪機(jī)安裝高程之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著安裝高程的增加，水輪機(jī)尾流速恢復(fù)速度逐漸加快，而湍流強(qiáng)度和雷諾切應(yīng)力恢復(fù)速度有逐漸減小的趨勢(shì)。

綜上所述，采用致動(dòng)盤模型分析水輪機(jī)尾流場(chǎng)可節(jié)約計(jì)算與實(shí)驗(yàn)成本，但相關(guān)研究不能完全體現(xiàn)潮流能水輪機(jī)近尾流場(chǎng)處的流場(chǎng)特性。而對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)存在計(jì)算與實(shí)驗(yàn)成本較高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少的現(xiàn)狀。因此，本文構(gòu)建水輪機(jī)三維模型，采用數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究其水動(dòng)力性能及流場(chǎng)特性。首先，分別將數(shù)值模擬結(jié)果與水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及粒子圖像測(cè)速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在驗(yàn)證數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性的同時(shí)，對(duì)比分析水輪機(jī)近尾流區(qū)的流場(chǎng)特性。在此基礎(chǔ)上，研究入流速度、尖速比等因素對(duì)潮流能水輪機(jī)尾流場(chǎng)的影響規(guī)律，以期為中國(guó)陣列化布置潮流能水輪機(jī)提供相應(yīng)的參考與依據(jù)。

1 潮流能水輪機(jī)幾何模型

本文采用的水輪機(jī)模型源于前期工作，由哈爾濱工程大學(xué)海洋可再生能源研究所研發(fā)［10-11］。該水輪機(jī)采用葉元體動(dòng)量理論設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。[r]為沿葉片半徑方向的距離，[R]為葉片半徑，為保證水輪機(jī)葉片根部強(qiáng)度，[r/R=0.15～0.20]區(qū)間內(nèi)為葉片根部的過(guò)渡區(qū)域，[r/R=0.20～1.0]區(qū)間內(nèi)徑向各位置處采用S809翼型，如圖1所示。翼型區(qū)域內(nèi)葉片不同半徑處的弦長(zhǎng)與扭角分布如圖2所示。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

考慮到潮流能水輪機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，數(shù)值模擬中控制方程包含不可壓縮黏性流體的納維爾-斯托克斯方程，式（1）、式（2）描述質(zhì)量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程。控制方程離散化采用有限體積法，對(duì)離散方程進(jìn)行插值采用二階迎風(fēng)格式；對(duì)離散方程進(jìn)行閉合使用SST k-ω湍流模型，然后采用SIMPLE方法對(duì)離散方程進(jìn)行求解。

[?（ui）?xi=0] （1）

[?（ρui）?t+ρuj?（ui）?xj=ρFi-?pt?xi+??xjμ?（ui）?xj-ρuiuj] （2）

式中：[ui]——時(shí)均流速在x、y、z方向的分量，m/s；[Fi]——所受外力，m/s2；[pt]——時(shí)均壓強(qiáng)，Pa；[-ρuiuj]——湍流脈動(dòng)值的雷諾數(shù)應(yīng)力項(xiàng)，N。

為描述潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力性能，無(wú)量綱參數(shù)尖速比λ、能量轉(zhuǎn)換效率（[CP]）以及阻力系數(shù)（[CD]）定義為：

[λ=ΩRUT] （3）

[CP=QΩ0.5ρU3TAT] （4）

[CD=D0.5ρU2TAT] （5）

式中：[Ω]——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；[R]——水輪機(jī)半徑，m；[UT]——來(lái)流流速，m/s；[Q]——水輪機(jī)產(chǎn)生的扭矩，N·m；[ρ]——流體密度，kg/m3；[D]——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的軸向阻力，N；[AT]——水輪機(jī)的掃掠面積，m2。

2.2 邊界條件以及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算域尺寸與粒子圖像測(cè)速技術(shù)（praticle image velocimetry，PIV）流場(chǎng)測(cè)量所在試驗(yàn)段尺寸一致。水動(dòng)力性能測(cè)試在前期工作中已有描述［12］，本文不再贅述，僅對(duì)PIV流場(chǎng)測(cè)量時(shí)的計(jì)算域進(jìn)行描述，但其邊界條件定義與網(wǎng)格劃分方式與水動(dòng)力性能模擬時(shí)保持不變。參考值為水輪機(jī)直徑[D]，流域入口邊界條件設(shè)置為均勻速度出口，入口湍流強(qiáng)度為1%，位于水輪機(jī)上游[10D]處；流域出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，位于水輪機(jī)下游約[26D]處；圖3展示了詳細(xì)的邊界條件設(shè)置。為進(jìn)一步體現(xiàn)水輪機(jī)葉片梢部與根部的流動(dòng)特性，本文對(duì)這兩處區(qū)域進(jìn)行體加密，生成的全流域網(wǎng)格數(shù)量為891萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為943萬(wàn)，如圖4所示。數(shù)值模擬計(jì)算域內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)域和靜止域，數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)兩者之間的交界面。潮流能水輪機(jī)位于旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，數(shù)值模擬過(guò)程中求解器采用隱式非穩(wěn)態(tài)模型，時(shí)間步長(zhǎng)為葉片旋轉(zhuǎn)3°所需的時(shí)間。為獲得潮流能水輪機(jī)附近更加精確的流體流動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)水輪機(jī)的葉面、葉背進(jìn)行標(biāo)記，并采用面控制對(duì)標(biāo)記的特征面以及特征線進(jìn)行加密，圖4為潮流能水輪機(jī)網(wǎng)格圖。

在筆者的前期工作中，對(duì)本文采用數(shù)值模擬方法的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證［13-14］，并采用理查德森外推法［15］進(jìn)行了相應(yīng)分析，本文不再贅述。

3 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，本文使用的潮流能水輪機(jī)模型通過(guò)五軸數(shù)控機(jī)床加工，并分別在哈爾濱工程大學(xué)的拖曳水池實(shí)驗(yàn)室與循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了水動(dòng)力性能測(cè)試與PIV流場(chǎng)測(cè)量。拖曳水池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水動(dòng)力性能測(cè)試如文獻(xiàn)［16］所述，本節(jié)重點(diǎn)闡述PIV流場(chǎng)測(cè)試模型，循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的參數(shù)如表2所示。

為方便調(diào)整潮流能水輪機(jī)在循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)段中的位置以及流場(chǎng)測(cè)量，本文設(shè)計(jì)可移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，如圖5所示。

在實(shí)驗(yàn)中，水輪機(jī)固定于臺(tái)架滑臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向（垂向、縱向以及橫向）平移。激光器位于水槽底部，透過(guò)底部觀察窗向槽內(nèi)打光，該設(shè)備為CW-10W532nm連續(xù)激光器，光腰直徑3 mm，功率穩(wěn)定率小于1%。相機(jī)位于水槽側(cè)面，透過(guò)側(cè)壁觀察窗連續(xù)拍照，其最高拍攝幀率8萬(wàn)幀/s，最大分辨率1280像素×1024像素。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持循環(huán)水槽內(nèi)水流流速不變，通過(guò)改變水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量不同尖速比下水輪機(jī)近域的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值模擬方法水動(dòng)力性能驗(yàn)證

為較為全面地驗(yàn)證本文采用的數(shù)值模擬方法，首先對(duì)比了潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。圖7為1.5 m/s流速下水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率與阻力系數(shù)的對(duì)比。

由圖7可知，首先水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率與阻力系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，在設(shè)計(jì)尖速比[λ=5]時(shí)，水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率的數(shù)值模擬結(jié)果（0.37）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（0.36）的誤差為0.3%，水輪機(jī)阻力系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果（0.73）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（0.76）的誤差為[-4%]，由此可驗(yàn)證本文采用數(shù)值模擬方法在求解潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能方面的準(zhǔn)確性。其次，在低尖速比區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差相對(duì)較大，這是由于尖速比變低時(shí)，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度變慢，導(dǎo)致水流相對(duì)水輪機(jī)葉片以較大攻角流入，從而在葉片尾緣處形成較大分離；在低尖速比下能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)誤差偏大，這是由于現(xiàn)有湍流模型在模擬流體分離時(shí)存在部分失真［14］。

4.2 水輪機(jī)近域流場(chǎng)特性的對(duì)比與分析

在對(duì)比分析水輪機(jī)近域流場(chǎng)特性之前，首先描述本文坐標(biāo)軸的定義以及速度剖面的選取方式，如圖8所示。圖8中，[X]軸方向垂直紙面方向向內(nèi)，[Y]軸方向垂直向上，[Z]軸方向水平向右，考慮到流速的正負(fù)關(guān)系與坐標(biāo)軸指向密切相關(guān)，因此需特別注意坐標(biāo)方向。此外，考慮到數(shù)值模擬采用非定常計(jì)算，因此本文對(duì)比水輪機(jī)數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)的軸向流域與徑向流速均為瞬時(shí)流速，而非剖面的平均流速。因此，本文速度剖面的選取方式為：截取流域中縱剖面（數(shù)值模擬）/激光片光面（模型實(shí)驗(yàn)），分別在盤前與盤后選取距離[0.5D、0.1D]以及[0.05D]的橫剖面與縱剖面/激光片光面相交，進(jìn)一步獲取水輪機(jī)近域中距離盤面不同軸向位置剖面的流體流速數(shù)據(jù)。不同剖面處軸向流速與徑向流速的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

由圖9可看出，水輪機(jī)近域流場(chǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文采用數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。對(duì)比水輪機(jī)盤前[0.05D、0.1D]以及[0.5D]剖面的瞬時(shí)軸向流速與徑向流速，可看出，剖面位置逐漸靠近水輪機(jī)葉片，在葉片盤面區(qū)域內(nèi)的軸向流速呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；而徑向流速在盤前[0.5D]時(shí)接近0，但隨著剖面逐漸靠近水輪機(jī)盤面，徑向速度在葉片區(qū)域內(nèi)隨半徑的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)，但經(jīng)過(guò)葉片葉梢后出現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。此外，在葉片前[0.05D]剖面處，如圖9c所示，葉片盤面區(qū)域的軸向速度約為0.53 m/s，貝茨理論推導(dǎo)極限能量轉(zhuǎn)換效率（0.593）下盤面處軸向流速為0.53 m/s（來(lái)流速度0.8 m/s），由此可看出水輪機(jī)盤面處的軸向速度與理論軸向速度基本保持一致，但水輪機(jī)在設(shè)計(jì)尖速比下的能量轉(zhuǎn)換效率為0.345（來(lái)流速度0.8 m/s），為分析該能量轉(zhuǎn)換效率相較于貝茨極限效率下降的原因，基于數(shù)值模擬與PIV流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，本文進(jìn)一步分析水輪機(jī)近域盤后不同截面處軸向速度與徑向速度分布，如圖9d～圖9f所示。

對(duì)比盤前[0.05D]剖面與盤后[0.05D]剖面處的徑向速度分布，在盤前葉梢處徑向速度為+0.24 m/s，盤后葉梢處徑向速度為[-0.14] m/s。這里需注明速度的正負(fù)與坐標(biāo)系有關(guān)，與坐標(biāo)軸同向?yàn)檎?，相反為?fù)，坐標(biāo)軸如圖8所示。通過(guò)以上對(duì)比可看出，在盤前徑向流速向葉梢處流動(dòng)，并在葉片區(qū)域內(nèi)呈逐漸增大的趨勢(shì)；在盤面后方，葉梢處流體向葉根區(qū)域流動(dòng)，具有明顯的“下洗”趨勢(shì)，進(jìn)而在葉梢區(qū)域產(chǎn)生明顯的三維效應(yīng)，降低了水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，采用葉元體動(dòng)量理論設(shè)計(jì)潮流能水輪機(jī)葉片時(shí)，假定葉元體之間相互獨(dú)立、無(wú)相互干擾，但通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，葉片附近的流體存在明顯的徑向流動(dòng)，導(dǎo)致水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率降低。

4.3 水輪機(jī)遠(yuǎn)域流場(chǎng)特性分析

為研究潮流能水輪機(jī)遠(yuǎn)域流場(chǎng)的流動(dòng)特性，首先在尾流區(qū)內(nèi)距離水輪機(jī)盤面[2D、5D、10D、15D]以及[20D]的剖面上對(duì)比不同來(lái)流速度下軸向流速的恢復(fù)情況。圖10為設(shè)計(jì)尖速比下水輪機(jī)在0.8 m/s與1.5 m/s來(lái)流速度下不同尾流區(qū)剖面的瞬時(shí)軸向速度對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，首先兩種流速下軸向速度的恢復(fù)情況十分接近，說(shuō)明入流速度對(duì)水輪機(jī)尾流區(qū)軸向速度的恢復(fù)影響不明顯。其次，隨著剖面離水輪機(jī)盤面距離的增加，軸向速度恢復(fù)趨勢(shì)較為顯著，但不同剖面處軸向速度沿徑向的分布趨勢(shì)不同。在距離水輪機(jī)盤面較近的剖面（[lt;5D]），在葉片區(qū)域內(nèi)軸向速度較低，而在槳轂中心處（水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸高度處）軸向流速略高，整體呈“W”形趨勢(shì)；在距離盤面較遠(yuǎn)的區(qū)域（[gt;10D]），軸向速度最小的區(qū)域發(fā)生在槳轂中心處，隨著徑向位置的增加，軸向速度呈增加的趨勢(shì)。在距離水輪機(jī)盤面[20D]處，槳轂中心高度處軸向流速與來(lái)流速度的比值約為0.806。

為進(jìn)一步研究尖速比對(duì)水輪機(jī)尾流區(qū)軸向流速恢復(fù)的影響，分別在尖速比為4、5、6時(shí)對(duì)比不同尾流區(qū)剖面的軸向速度，如圖11所示。由圖11可看出，首先尖速比對(duì)近尾流區(qū)（[lt;5D]）的軸向流速恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，隨著尖速比的增加，近尾流區(qū)軸向流速恢復(fù)呈逐漸降低的趨勢(shì)（如圖11a、圖11b所示）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：在設(shè)計(jì)尖速比附近（[λ=5]），隨著尖速比的增加，水輪機(jī)的阻力系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)，如圖7所示。阻力系數(shù)的增加在水輪機(jī)葉片區(qū)域的尾流區(qū)形成了兩條狹長(zhǎng)的低速區(qū)域（如圖12所示），影響了水輪機(jī)近域的軸向速度恢復(fù)。其次，圖11d可看出當(dāng)剖面距離水輪機(jī)盤面[10D]時(shí)，3種尖速比下軸向速度分布十分接近，尖速比不再對(duì)軸向速度的恢復(fù)產(chǎn)生影響。

不同尖速比下水輪機(jī)的速度云圖與渦量云圖對(duì)比如圖12所示。圖12首先可看出水輪機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的根渦與梢渦，且以梢渦為界可將尾流區(qū)劃分為兩部分，梢渦以內(nèi)的流體受水輪機(jī)的影響產(chǎn)生低速區(qū)，梢渦以外的區(qū)域受水輪機(jī)的影響較??；其次，對(duì)比圖12發(fā)現(xiàn)，隨著尖速比的增加水輪機(jī)的梢渦傾角逐漸減小，且尖速比較小時(shí)，水輪機(jī)梢渦在沿流方向存在的距離較長(zhǎng)，隨著尖速比的增加，梢渦存在的距離逐漸變短，說(shuō)明尖速比可影響水輪機(jī)梢渦存在的時(shí)間，隨著尖速比的增加，梢渦破碎的位置逐漸靠近水輪機(jī)盤面。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式分析潮流能水輪機(jī)的流場(chǎng)特性，研究近域流場(chǎng)特性對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響，分析遠(yuǎn)域下不同入流速度以及尖速比對(duì)尾流區(qū)流速恢復(fù)的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1）分別將水輪機(jī)的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果和PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，充分驗(yàn)證了本文采用的數(shù)值模擬方法在計(jì)算水輪機(jī)水動(dòng)力性能和流場(chǎng)特性方面的準(zhǔn)確性。

2）水輪機(jī)盤面處存在明顯的徑向流速，水輪機(jī)盤前[0.05D]處流體存在向葉梢流動(dòng)的徑向速度，且在葉片區(qū)域內(nèi)呈逐漸增大的趨勢(shì)；盤后[0.05D]處水輪機(jī)梢部附近存在由葉梢流向葉根的徑向流速，具有明顯的“下洗”趨勢(shì)，使葉梢區(qū)域產(chǎn)生明顯的三維效應(yīng)，降低了水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

3）在設(shè)計(jì)尖速比下，入流速度不會(huì)對(duì)尾流區(qū)軸向速度恢復(fù)產(chǎn)生明顯影響；在距離水輪機(jī)盤面[5D]內(nèi)，剖面處軸向速度沿徑向分布的趨勢(shì)呈現(xiàn)“W”形趨勢(shì)；在距離水輪機(jī)盤面[10D]后，最小軸向速度在槳轂中心處，隨著徑向距離的增加，軸向速度呈增加趨勢(shì)。

4） 在近尾流區(qū)（距離盤面小于[5D]），隨著尖速比的增加，軸向流速恢復(fù)呈逐漸降低的趨勢(shì)。距離水輪機(jī)盤面超過(guò)[10D]后，尖速比對(duì)軸向速度的恢復(fù)影響不明顯。水輪機(jī)產(chǎn)生梢渦的傾角隨著尖速比的增加逐漸減小；且隨著尖速比的增加，梢渦存在的時(shí)間會(huì)縮短，梢渦破碎的位置逐漸靠近水輪機(jī)盤面。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 陳婭玲. 潮流水輪機(jī)及陣列對(duì)周邊流場(chǎng)影響研究［D］. 北京： 清華大學(xué)， 2015.

CHEN Y L. Study on the effects of tidal turbine and array on the flow field［D］. Beijing： Tsinghua University， 2015.

［2］ 杜修茂， 司先才， 袁鵬， 等. 潮流能水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑對(duì)陣列產(chǎn)能及附近水域的影響研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2021， 42（11）： 442-448.

DU X M， SI X C， YUAN P， et al. Study on influence of rotor diameters of tidal current turbine on array power and adjacent waters［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（11）： 442-448.

［3］ RADFAR S， PANAHI R， MAJIDI NEZHAD M， et al. A numerical methodology to predict the maximum power output of tidal stream arrays［J］. Sustainability， 2022， 14（3）： 1664.

［4］ 張亞超. 水平軸潮流能發(fā)電機(jī)尾流效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究［D］. 杭州： 浙江大學(xué)， 2014.

ZHANG Y C. Experimental study on the wake effect of horizontal axis tidal current turbine［D］. Hangzhou： Zhejiang University， 2014.

［5］ 張玉全， 鄭源， 孫勇， 等. 基于致動(dòng)盤的潮流能水輪機(jī)尾流場(chǎng)研究［J］. 可再生能源， 2019， 37（1）： 144-150.

ZHANG Y Q， ZHENG Y， SUN Y， et al. Research on the wake characteristics of tidal stream turbine based on actuator" disk" method［J］." Renewable" energy" resources， 2019， 37（1）： 144-150.

［6］ MYERS L E， BAHAJ A S. Experimental analysis of the flow field around horizontal axis tidal turbines by use of scale mesh disk rotor simulators［J］. Ocean engineering， 2010， 37（2-3）： 218-227.

［7］ EL FAJRI O， BOWMAN J， BHUSHAN S， et al. Numerical study of the effect of tip-speed ratio on hydrokinetic turbine wake recovery［J］. Renewable energy， 2022， 182： 725-750.

［8］ AHMADI M H B. Influence of upstream turbulence on the wake" "characteristics" "of" "a" " tidal" " stream" " "turbine［J］. Renewable energy， 2019， 132： 989-997.

［9］ 趙夢(mèng)晌， 張玉全， 鄭源， 等. 安裝高程對(duì)潮流能水輪機(jī)尾跡特性影響試驗(yàn)研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（4）： 486-492.

ZHAO M S， ZHANG Y Q， ZHENG Y， et al. Experimental study on influence of turbine setting elevation on wake characteristics of tidal turbine［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（4）： 486-492.

［10］ 張亮， 王樹(shù)齊， 馬勇， 等. 潮流能水平軸葉輪縱搖運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力分析［J］. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 36（3）： 307-311.

ZHANG L， WANG S Q， MA Y， et al. The pitch hydrodynamic analysis of tidal current energy horizontal axis impeller［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2015， 36（3）： 307-311.

［11］ WANG S Q， LI C Y， XIE Y Y， et al. Research on hydrodynamic characteristics of horizontal axis tidal turbine with rotation and pitching motion under free surface" "condition［J］." Ocean" "engineering，" 2021，" 235： 109383.

［12］ 王樹(shù)齊， 張理， 耿敬， 等. 偏流角對(duì)潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力影響研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2016， 37（1）： 249-255.

WANG S Q， ZHANG L， GENG J， et al. Study on effect of yaw angle on hydrodynamics of tidal current turbine［J］. Acta energiae solaris sinica， 2016， 37（1）： 249-255.

［13］ GUO B， WANG D Z， ZHOU X， et al. Performance evaluation of a tidal current turbine with bidirectional symmetrical foils［J］. Water， 2019， 12（1）： 22.

［14］ 郭彬， 王大政， 夏嵐， 等. 水平軸潮流渦輪池壁效應(yīng)修正方法分析［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（9）： 382-390.

GUO B， WANG D Z， XIA L， et al. Analysis of blockage correction methods for horizontal axis tidal stream turbine［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（9）： 382-390.

［15］ FERZIGER J H， PERI? M. Further discussion of numerical" "errors" "in" "CFD［J］." International" journal" "for numerical methods in fluids， 1996， 23（12）： 1263-1274.

［16］ JING F M， MA W J， ZHANG L， et al. Experimental study of hydrodynamic performance of full-scale horizontal axis tidal current turbine［J］. Journal of hydrodynamics， series B， 2017， 29（1）： 109-117.

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW FIELD CHARACTERISTICS OF TIDAL ENERGY TURBINES

Jing Fengmei1，Wang Yi1，Guo Bin2，Liu Yang3，Li Sirui1

（1. School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China；

2. School of Ocean Engineering， Harbin Institute of Technology， Weihai 264209， China；

3. Shanghai Merchant Ship Design amp; Research Institute， Shanghai 201203， China）

Abstract：This article combines numerical simulations and model experiments to study the influence of flow field characteristics on the hydrodynamic performance of turbines in the near-field. The effect of different factors such as inflow velocity and tip-speed ratio on the wake field characteristics in the far-field is analyzed. The research results show that the relative error of power coefficient between the numerical simulation result （0.37） and the experimental result （0.36） is 0.3% at the designed tip speed ratio， and the relative error of drag coefficient between the numerical simulation result （0.73） and the experimental result （0.76） is [-4%]. There are significant three-dimensional flow phenomena at the blade tip of the tidal turbine， there is a radial velocity （0.24 m/s） at the front of the turbine disk which flows from the blade root to the tip， and there is a radial velocity （0.14 m/s） at the rear of the turbine disk which flows from the blade tip to the root. The downwash flow velocity near the wake zone of the blade tip causes a decrease in the energy conversion efficiency of the turbine. The inflow velocity has no a significant impact on the recovery of axial velocity in the wake region； In the near wake region （within [5D ]distance from the disk）， with the increase of tip-speed ratio， the recovery of axial velocity in the wake shows a gradually decreasing trend. When the distance from the water turbine disk exceeds [10D]， the tip-speed ratio does not have a significant effect on the recovery of axial velocity in the wake. However， the increase of tip-speed ratio will shorten the existence time of the blade vortex and make the location where the blade vortex is broken closer to the water turbine disk.

Keywords：tidal energy； numerical simulation； model test； water turbine； flow field characteristics； praticle image velocimetry（PIV）； hydrodynamic characteristic