張繼生，曹運(yùn)修，吳修廣，宋 凡，戴 鵬

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

并排水平軸潮流能水輪機(jī)組水動(dòng)力特性研究

張繼生1，曹運(yùn)修1，吳修廣2，宋 凡1，戴 鵬1

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

基于FLOW-3D軟件平臺(tái)建立三維水動(dòng)力計(jì)算模型，研究水輪機(jī)橫向間距、相對(duì)安裝高度和來(lái)流速度對(duì)二臺(tái)并排布置的水平軸潮流能水輪機(jī)組的水動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明：隨著橫向間距的增大，水輪機(jī)組受到的與來(lái)流方向相同的最大水流作用力有一定減小，最大降幅達(dá)6.62%，尾流場(chǎng)中水流加速區(qū)域的最大流速也略有減小，最大降幅約1.21%；水輪機(jī)組相對(duì)安裝高度和來(lái)流速度的改變，對(duì)其飛逸轉(zhuǎn)速、最大水流作用力以及尾流場(chǎng)有顯著影響。

潮流能；水輪機(jī)；橫向間距；相對(duì)安裝高度；來(lái)流速度；水動(dòng)力特性；數(shù)值模擬

為了減緩能源緊張局勢(shì)和改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，迫切需要開發(fā)清潔可再生能源[1]，而潮流能憑借其對(duì)環(huán)境影響小、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)及能量巨大等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[2]。潮流能發(fā)電裝置目前發(fā)展最成熟的是水平軸潮流能水輪機(jī)[3-4]。水輪機(jī)周邊的流場(chǎng)復(fù)雜，對(duì)水輪機(jī)的發(fā)電性能和布局方式影響很大[5]，研究潮流能水輪機(jī)周邊的水動(dòng)力特性可以為科學(xué)地開發(fā)潮流能資源提供依據(jù)[6]。

近年來(lái)，潮流能水輪機(jī)(組)水動(dòng)力特性得到不少關(guān)注和研究。在單臺(tái)水輪機(jī)方面，Li等[7]研究了坐底式水平軸潮流能水輪機(jī)周邊的流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)和單樁的組合形式會(huì)顯著改變結(jié)構(gòu)周邊的水流運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)后方出現(xiàn)了大范圍的尾流區(qū)。水輪機(jī)安裝高度的增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速增加，降低水體的總作用力；來(lái)流速度增加，水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速和動(dòng)能會(huì)明顯增加。McAdam等[8-10]進(jìn)行了大量的水槽模型試驗(yàn)，研究水深和流速對(duì)水輪機(jī)葉片的流體荷載、自由水位變化等的影響，總結(jié)各參數(shù)的影響規(guī)律。張亞超等[11]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究不同初始流速和推力系數(shù)下單臺(tái)水平軸潮流能水輪機(jī)的尾流效應(yīng)。在多臺(tái)水輪機(jī)方面，辛小鵬等[12]研究了雙轉(zhuǎn)子水輪機(jī)前后布置時(shí)的水動(dòng)力特性，總結(jié)轉(zhuǎn)子間距對(duì)水輪機(jī)性能的影響規(guī)律。Mycek等[13]重點(diǎn)研究了2臺(tái)前后布置的水平軸潮流能水輪機(jī)的相互作用，測(cè)量了水輪機(jī)間的縱向間距對(duì)第二臺(tái)水輪機(jī)性能和尾流的影響規(guī)律，并與單臺(tái)水輪機(jī)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，第二臺(tái)水輪機(jī)受到第一臺(tái)水輪機(jī)的影響明顯。Divett等[14]和Stallard等[15]研究了小型水輪機(jī)陣列的布局，發(fā)現(xiàn)第二排水輪機(jī)至少要在第一排水輪機(jī)下游5D處(D為水輪機(jī)葉片直徑)，才能讓水輪機(jī)捕獲更多的能量。

由此可見(jiàn)，盡管前人研究了單臺(tái)或2臺(tái)前后布置的水輪機(jī)周邊的水力特性，但是對(duì)于2臺(tái)并排布置的單樁支撐的水平軸潮流能水輪機(jī)組，其周邊的水動(dòng)力特性尚不明確。本文基于FLOW-3D軟件平臺(tái)建立三維水動(dòng)力計(jì)算模型，研究2臺(tái)三葉片水平軸潮流能水輪機(jī)并排布置形成的機(jī)組工況，分析2臺(tái)水輪機(jī)的橫向間距、相對(duì)安裝高度(水輪機(jī)安裝高度與水深的比值)和來(lái)流速度對(duì)其周邊水動(dòng)力特性的影響規(guī)律。

1 數(shù) 學(xué) 模 型

基于FLOW-3D軟件平臺(tái)建立計(jì)算模型，包含水動(dòng)力模塊和GMO(general moving object)模塊。采用有限差分法求解N-S(Navier-Stokes)方程組，離散采用二階單調(diào)保守迎風(fēng)差分法，計(jì)算域在空間上采用矩形網(wǎng)格，并在水輪機(jī)區(qū)域局部加密。

1.1 水動(dòng)力模塊

水動(dòng)力模塊的控制方程是N-S方程組，基于VOF(volume of fluid)兩相流方法[16]跟蹤自由液面，采用LES(large eddy simulation)方法模擬計(jì)算紊動(dòng)輸運(yùn)。質(zhì)量連續(xù)方程為

(1)

式中：VF——網(wǎng)格單元內(nèi)參與計(jì)算的流體體積所占網(wǎng)格大小的百分比；ρ——流體的密度；t——時(shí)間；RDIF——紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)；RSOR——質(zhì)量源項(xiàng)；u、v、w——x、y、z方向的速度分量；Ax、Ay、Az——x、y、z方向上流體所占面積的百分比。

坐標(biāo)系上3個(gè)不同方向的動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)

(4)

式中：Gx、Gy、Gz——x、y、z方向的重力加速度；fx、fy、fz——x、y、z方向的黏性加速度；uw、vw、ww——x、y、z方向的質(zhì)量源運(yùn)動(dòng)速度；us、vs、ws——x、y、z方向的質(zhì)量源表面流體相對(duì)質(zhì)量源的運(yùn)動(dòng)速度；δ——質(zhì)量源的壓力類型，在本模型中取δ=1，表示質(zhì)量源為靜態(tài)壓力類型，這種情況下通過(guò)流量以及質(zhì)量源的表面積來(lái)計(jì)算流體的速度，不需要提供壓力使流體從質(zhì)量源中脫離。

1.2 GMO模塊

GMO模塊已被廣泛用來(lái)求解運(yùn)動(dòng)物體的流固耦合問(wèn)題，其核心是FAVOR(fractional area/volume obstacle representation)方法[17]，用于描述水輪機(jī)的形狀、大小、所處位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及模擬水輪機(jī)與水流發(fā)生的相互作用。在FLOW-3D中基于FAVOR方法的理論方程如下：

(5)

式中：Sm——流體質(zhì)量源項(xiàng)；Vf——流體所占網(wǎng)格的體積比；A——流體所占網(wǎng)格的面積比。

1.3 模型驗(yàn)證和應(yīng)用

此模型已被成功用于研究單臺(tái)單樁支撐的水平軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力特性[3]，本文將其用于研究2臺(tái)并排布置的水平軸潮流能水輪機(jī)組的水動(dòng)力特性，研究橫向間距、水輪機(jī)相對(duì)安裝高度和來(lái)流速度對(duì)2臺(tái)并排水輪機(jī)組的水動(dòng)力特性影響，為潮流能實(shí)際開發(fā)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1.4 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

模型的數(shù)值水槽長(zhǎng)度(沿坐標(biāo)軸X方向)為180 m，寬度(沿坐標(biāo)軸Y方向)為150 m，高度(沿坐標(biāo)軸Z方向)為32 m，水輪機(jī)組并排布置，數(shù)值水槽和水輪機(jī)布置如圖1所示。模型計(jì)算的來(lái)流速度參考SeaGen的海試工況，橫向間距參考EMEC(European marine energy centre)的指導(dǎo)意見(jiàn)取2.5D，因此取2D，2.5D，3D共3個(gè)間距，安裝高度參考樁基式水輪機(jī)組合(舟山潮流能示范工程)的安裝水深30 m左右，為了減小水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)水面的擾動(dòng)及留有一定的富余水深供某些小船只通過(guò)，因此安裝高度取9 m、15 m、20 m，其相對(duì)安裝高度分別為0.3、0.5、0.67。水輪機(jī)包含3個(gè)直徑D=16 m的葉片，葉片厚度為0.4 m，中心輪轂直徑為2.6 m，長(zhǎng)度為3.56 m，材料密度為2 700 kg/m3，扇葉傾角(與旋轉(zhuǎn)軸夾角)約為70°。為了節(jié)約計(jì)算資源，加快計(jì)算速度，模型水槽沿著長(zhǎng)度X方向分為2個(gè)網(wǎng)格塊，如圖2所示，網(wǎng)格塊1為包含水輪機(jī)的長(zhǎng)48 m的區(qū)域，X方向劃分95個(gè)網(wǎng)格，Y方向劃分150個(gè)網(wǎng)格，Z方向劃分120個(gè)網(wǎng)格，在水輪機(jī)處局部加密，各方向最小網(wǎng)格均在水輪機(jī)葉片處；網(wǎng)格塊2為剩余的長(zhǎng)132 m的空水槽，X方向劃分140個(gè)網(wǎng)格，Y方向劃分150個(gè)網(wǎng)格，Z方向劃分45個(gè)網(wǎng)格，各方向都是均勻網(wǎng)格。

圖1 水輪機(jī)布置示意圖Fig.1 Layout of turbines

圖2 網(wǎng)格塊劃分示意圖Fig.2 Sketch of mesh block division

圖3 數(shù)值水槽不同位置處 流速垂向分布對(duì)比Fig.3 Comparison of vertical distribution of velocity at different locations of numerical flume

1.5 初始條件和邊界條件

水輪機(jī)初始旋轉(zhuǎn)速度為零，初始水深為30 m，水流上方與空氣接觸，其表面張力取為零，底部是粗糙度為5的海床，兩側(cè)是光滑的固體邊壁。模型入口采用透明網(wǎng)格板熱啟動(dòng)，首先利用FLOW-3D的水動(dòng)力模塊建立一個(gè)長(zhǎng)度為6 km、寬度為150 m、水深30 m的數(shù)值水槽。在數(shù)值水槽入口處給定一個(gè)實(shí)際工況中需要的流速，通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算，數(shù)值水槽中水流流態(tài)穩(wěn)定，流速垂向分布將趨近實(shí)際情況的垂向流速分布形態(tài)，整個(gè)水槽幾個(gè)主要斷面(x=4 km、x=5 km、x=5.5 km)的垂向流速分布形態(tài)如圖3所示，可見(jiàn)沿水槽長(zhǎng)度方向5.5 km位置以后流速垂向分布基本發(fā)展穩(wěn)定。因此，在數(shù)值模型中選取水槽5.5 km位置為進(jìn)口邊界，并將此時(shí)的數(shù)值水槽流體參數(shù)設(shè)置為熱啟動(dòng)文件。

2 水輪機(jī)橫向間距的影響效應(yīng)

通過(guò)改變2臺(tái)并排布置的水平軸潮流能水輪機(jī)的橫向間距，將其分別設(shè)置為2D、2.5D、3D，在不同的來(lái)流速度和相對(duì)安裝高度的組合工況下，探討橫向間距對(duì)水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速、各向最大水流作用力及流場(chǎng)等特性的影響。為方便表達(dá)，將水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)記為ω(單位：rad/s)，將各向最大水流作用力簡(jiǎn)記為F(單位：N)，將X、Y、Z方向的最大水流作用力簡(jiǎn)記為Fx、Fy、Fz?？紤]葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的不對(duì)稱性，首先分析1號(hào)水輪機(jī)和2號(hào)水輪機(jī)兩者的響應(yīng)規(guī)律差異。以來(lái)流速度3.7 m/s、相對(duì)安裝高度0.5為例予以說(shuō)明，2號(hào)水輪機(jī)的ω與1號(hào)水輪機(jī)相同。2號(hào)水輪機(jī)的F和1號(hào)水輪機(jī)在量值上不完全相同(不存在對(duì)稱等值關(guān)系)，但差異極小且變化規(guī)律相同(表1)。例如，2號(hào)水輪機(jī)Fx隨橫向間距的增大而有微弱的減小，從2D到3D，降幅為2.78%，F(xiàn)y受橫向間距的影響很大，變化幅度達(dá)6.14%，F(xiàn)z受橫向間距的影響很小，變化幅度為2.85%，這些變化規(guī)律與1號(hào)水輪機(jī)是一致的。因此，下文以1號(hào)水輪機(jī)為例。

表1 來(lái)流速度為3.7 m/s時(shí)各橫向間距下各向最大水流作用力

首先，研究各來(lái)流速度下橫向間距對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速、各向最大水流作用力以及尾流場(chǎng)的影響。將相對(duì)安裝高度設(shè)定為0.5，來(lái)流速度分別為2.6 m/s、3.7 m/s、4.8 m/s，橫向間距分別為2D、2.5D、3D工況下，研究水輪機(jī)周邊的水動(dòng)力特性。

2.1 對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速的影響

在來(lái)流速度2.6 m/s條件下，在2D、2.5D、3D間距時(shí)，1號(hào)水輪機(jī)的ω分別為1.132 rad/s、1.130 rad/s、1.129 rad/s。隨著水輪機(jī)橫向間距的增加，ω出現(xiàn)微弱的減小，橫向間距從2D增加到3D，水輪機(jī)ω僅減小了0.96%。在2.6 m/s來(lái)流速度下，水輪機(jī)的ω受橫向間距變化的影響不顯著，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主要是受水流的推動(dòng)作用，在同一安裝高度，來(lái)流速度不變，因此水輪機(jī)的ω幾乎不受橫向間距的影響。同樣地，來(lái)流速度為3.7 m/s和4.8 m/s的模擬結(jié)果表明，水輪機(jī)的ω受橫向間距變化的影響不顯著。

2.2 對(duì)各向最大水流作用力的影響

當(dāng)水輪機(jī)橫向間距發(fā)生變化時(shí)，水輪機(jī)葉片受到的F也會(huì)不同。當(dāng)來(lái)流速度為2.6 m/s時(shí)，水輪機(jī)葉片各向受水流作用力如表2所示。水輪機(jī)Fx隨著橫向間距的增大而減小，降幅僅為1.48%，因?yàn)樵诓煌臋M向間距下水輪機(jī)相對(duì)安裝高度是相同的，來(lái)流方向單一且流速穩(wěn)定，因此受到水流的作用力相差不大；Fy在不同的橫向間距下變化較大(負(fù)值表示其方向與Y軸負(fù)方向相同)，各間距下的F變化率約為10%，其主要原因是橫向間距不同時(shí)2臺(tái)水輪機(jī)間的斷面流速不一樣，水體紊動(dòng)強(qiáng)度也不一樣，導(dǎo)致Fy相差較大；Fz變化微小，變化幅度僅2.03%，由于Z方向的水流作用力主要是浮力，而水輪機(jī)固定在海床中，受到的浮力基本一樣。在來(lái)流速度為3.7 m/s和4.8 m/s的條件下，對(duì)水輪機(jī)葉片各向受力進(jìn)行了研究，其變化規(guī)律與2.6 m/s流速條件下的變化規(guī)律一致。

2.3 對(duì)水輪機(jī)尾流流速剖面的影響

圖4 3種橫向間距在2.6 m/s來(lái)流速度下水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面Fig.4 Distribution of wake flow velocity at 5D behind turbine with three lateral spacings and incoming velocity of 2.6m/s

在不同的橫向間距下2臺(tái)并排水輪機(jī)組尾流場(chǎng)變化較大，根據(jù)Stallard等[16]的研究，水輪機(jī)縱向間距至少要達(dá)到5D，因此在橫向間距分別為2D、2.5D和3D情況下，研究水輪機(jī)后方5D處的尾流場(chǎng)情況。選取的參數(shù)是相對(duì)安裝高度為0.5時(shí)，X方向流速時(shí)均值與來(lái)流速度的比值(無(wú)量綱值)，簡(jiǎn)記為λ。

圖4為來(lái)流速度2.6 m/s條件下水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面。橫向間距為2D時(shí)，2臺(tái)水輪機(jī)間的加速區(qū)域?qū)挾葹?5 m，λ最大值為1.237；橫向間距為2.5D時(shí)，加速區(qū)域?qū)挾葹?3 m，λ最大值為1.225；橫向間距為3D時(shí)，加速區(qū)域?qū)挾葹?1 m，λ最大值為1.222。兩臺(tái)水輪機(jī)間都出現(xiàn)了水流加速現(xiàn)象，隨著橫向間距的增大，加速區(qū)域?qū)挾仍龃?，但λ最大值?huì)略微降低1.21%，這是因?yàn)樗啓C(jī)和單樁的存在，過(guò)流斷面面積減小，導(dǎo)致流速出現(xiàn)了一定的增加，隨著橫向間距的增大，此時(shí)單樁和水輪機(jī)對(duì)水流仍有加速作用，只是作用在不斷減小，因此加速區(qū)域?qū)挾葧?huì)不斷增大，但是λ最大值會(huì)減小。同樣地，在來(lái)流速度3.7 m/s和4.8 m/s的條件下，對(duì)水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與2.6 m/s流速時(shí)規(guī)律基本一致。

同理，研究了各相對(duì)安裝高度下橫向間距對(duì)水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速、各向最大水流作用力以及水輪機(jī)尾流流速剖面的影響，發(fā)現(xiàn)在不同相對(duì)安裝高度時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速幾乎不受橫向間距的影響。各相對(duì)安裝高度下橫向間距對(duì)各向最大水流作用力的影響，與各來(lái)流速度下橫向間距對(duì)各向最大水流作用力的影響基本相似。各相對(duì)安裝高度下，不同橫向間距對(duì)水輪機(jī)后方的尾流場(chǎng)影響與各來(lái)流速度下橫向間距對(duì)尾流場(chǎng)的影響規(guī)律相同。

3 水輪機(jī)相對(duì)安裝高度的影響效應(yīng)

當(dāng)橫向間距為2D時(shí)，水輪機(jī)受水流作用力較大且尾流場(chǎng)中λ最大值較大，在工程中屬于不利情況。因此，以橫向間距2D為例，進(jìn)一步探討水輪機(jī)相對(duì)安裝高度對(duì)水輪機(jī)組水動(dòng)力特性的影響規(guī)律。將水輪機(jī)相對(duì)安裝高度分別設(shè)定為0.3、0.5、0.67，來(lái)流速度為3.7 m/s，并以1號(hào)水輪機(jī)為例進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速的影響

在不同相對(duì)安裝高度下，隨著水輪機(jī)安裝高度增加，ω也相應(yīng)增加，在水輪機(jī)相對(duì)安裝高度分別為0.3、0.5、0.67時(shí)，水輪機(jī)ω分別為1.21 rad/s、1.61 rad/s、1.78 rad/s。這與流速垂向分布密切相關(guān)。水輪機(jī)遠(yuǎn)離海床，水流速度增加，水輪機(jī)受到的來(lái)流速度也更大了。

表3 不同相對(duì)安裝高度下水輪機(jī)各方向的水流作用力

3.2 對(duì)各向最大水流作用力的影響

表3為不同相對(duì)安裝高度下水輪機(jī)在X、Y、Z方向最大水流作用力。隨著安裝高度增加，水輪機(jī)受力F出現(xiàn)明顯變化規(guī)律。相對(duì)安裝高度越大，F(xiàn)x增加相當(dāng)明顯，相對(duì)安裝高度為0.3～0.67，最大水流作用力增加106.86%，這是由于越靠近自由水面，水流流速越大，因此水輪機(jī)受到的水流作用力也會(huì)更大；Fy與Y軸負(fù)方向相同，這是由于水輪機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)的不對(duì)稱性造成的，其量值隨相對(duì)安裝高度的增大而減小，降幅達(dá)12.7%；Fz變化不明顯，原因是水輪機(jī)Z方向受水流作用力主要是浮力，當(dāng)在靜水中時(shí)完全淹沒(méi)的水輪機(jī)在任何安裝高度的浮力大小應(yīng)該是相同的，但相對(duì)安裝高度的增加導(dǎo)致水輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)面積范圍內(nèi)的流速增加，因此其所受Fz會(huì)隨相對(duì)安裝高度的增加而產(chǎn)生微小增量。

圖5 不同相對(duì)安裝高度下的水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面Fig.5 Distribution of wake flow velocity at5D behind turbine with different relative installation heights

3.3 對(duì)水輪機(jī)尾流流速剖面的影響

不同的水輪機(jī)安裝高度對(duì)水輪機(jī)尾流場(chǎng)的影響很大，因此在橫向間距2D和來(lái)流速度3.7 m/s條件下分別改變水輪機(jī)相對(duì)安裝高度為0.3、0.5和0.67，分析水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面，如圖5所示，在不同相對(duì)安裝高度下2臺(tái)水輪機(jī)間均出現(xiàn)了水流加速現(xiàn)象。相對(duì)安裝高度為0.3、0.5和0.67時(shí)λ最大值分別為1.232、1.256、1.293，隨著相對(duì)安裝高度增加，λ最大值相應(yīng)增加，增幅達(dá)5%，下游側(cè)的水輪機(jī)可獲取到更多的能量。

4 來(lái)流速度的影響效應(yīng)

如前所述，橫向間距2D時(shí)屬于不利情況，故以橫向間距2D為例，進(jìn)一步探討來(lái)流速度對(duì)水輪機(jī)組水動(dòng)力特性的影響。將來(lái)流速度分別設(shè)定為2.6 m/s、3.7 m/s、4.8 m/s，水輪機(jī)相對(duì)安裝高度為0.5，并以1號(hào)水輪機(jī)為例進(jìn)行分析。

4.1 對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速的影響

來(lái)流速度為2.6 m/s、3.7 m/s和4.8 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)ω分別為1.13 rad/s、1.61 rad/s、2.13 rad/s。流速?gòu)?.6 m/s增大到4.8 m/s，水輪機(jī)ω增加了88.50%，可見(jiàn)來(lái)流速度的改變對(duì)水輪機(jī)ω有顯著的影響。

表4 不同來(lái)流速度時(shí)的水輪機(jī)各向水流作用力

4.2 對(duì)各向最大水流作用力的影響

不同來(lái)流速度下，隨時(shí)間變化的水輪機(jī)受力F如表4所示。來(lái)流速度對(duì)水輪機(jī)受力F有重要影響，特別是在X方向和Y方向。隨著來(lái)流速度增加，水輪機(jī)受Fx明顯增加，來(lái)流速度從2.6 m/s增加到4.8 m/s，增幅達(dá)235.58%，由于來(lái)流速度沿著X軸正方向，且流速增加明顯，因此水輪機(jī)所受Fx出現(xiàn)明顯增加；Fy與Y軸負(fù)方向相同，來(lái)流速度增加，受力顯著增加，增幅達(dá)325.15%，由于來(lái)流速度增加，使水輪機(jī)間的水體紊動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致Fy明顯增加。在Z方向，隨著來(lái)流速度增加，受力有一定程度的增加，但增幅較小，原因是水輪機(jī)Z方向受水流作用力的主要組成部分是浮力，浮力隨流速變化而產(chǎn)生的變化是較小的。

圖6 不同來(lái)流速度下的水輪機(jī)后方5D處的尾流流速剖面Fig.6 Distribution of wake flow velocity at 5D behind turbine with different incoming velocities

4.3 對(duì)水輪機(jī)尾流流速剖面的影響

在橫向間距2D下，當(dāng)水輪機(jī)相對(duì)安裝高度為0.5時(shí)，分別改變來(lái)流速度為2.6 m/s、3.7 m/s、4.8 m/s，研究水輪機(jī)后方5D處的尾流場(chǎng)情況。如圖6所示，在不同來(lái)流速度下，兩臺(tái)水輪機(jī)間均出現(xiàn)了水流加速現(xiàn)象，當(dāng)來(lái)流速度分別為2.6 m/s、3.7 m/s和4.8 m/s時(shí)，最大流速無(wú)量綱值分別為1.237、1.256、1.283，隨著來(lái)流速度增大，λ最大值越大。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用FLOW-3D軟件建立三維水動(dòng)力計(jì)算模型，模擬分析2臺(tái)并排布置的水平軸潮流能水輪機(jī)組的水動(dòng)力特性，研究橫向間距、水輪機(jī)相對(duì)安裝高度和來(lái)流速度對(duì)水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速、最大水流作用力和尾流流速剖面的影響。

a.ω受橫向間距的影響較小；Fx隨橫向間距的增大有一定的減小，F(xiàn)y受橫向間距的影響較大；2臺(tái)水輪機(jī)間出現(xiàn)了水流加速現(xiàn)象，尾流場(chǎng)中λ最大值隨橫向間距的增大而略有減小。

b.水輪機(jī)的相對(duì)安裝高度增加，水輪機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速有較大提高；Fx顯著增加；Fy會(huì)有較大幅度減小，在三種相對(duì)安裝高度下，兩臺(tái)水輪機(jī)間的水流均出現(xiàn)加速現(xiàn)象，λ也隨之增加。

c.來(lái)流速度增大，水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速有明顯增加，F(xiàn)x、Fy增強(qiáng)顯著，2臺(tái)水輪機(jī)間的λ最大值也隨之增加。

[1] 張亮, 李新仲, 耿敬, 等. 潮流能研究現(xiàn)狀2013[J]. 新能源進(jìn)展, 2013, 1(1): 53-68. (ZHANG Liang, LI Xinzhong, GENG Jing, et al. Study status of tidal current energy 2013[J]. Advances in New and Renewable Energy,2013, 1(1): 53-68. (in Chinese))

[2] ZHANG Jisheng, WANG jun, TAO Aifeng, et al. New concept for assessment of tidal current energy in Jiangsu Coast, China[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2013, 5: 340501.

[3] HAYDAR F H, AHMED E S, OTHMAN A K. Tidal current turbines glance at the past and look into future prospects in Malaysia[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(8): 5707-5717.

[4] 魏東澤, 吳國(guó)榮, 郭欣, 等. 潮流能開發(fā)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 可再生能源, 2014, 32(7): 1067-1074.(WEI Dongze, WU Guorong, GUO Xin, et al. Advance in tidal current energy development technology[J]. Renewable Energy Resources, 2014, 32(7): 1067-1074. (in Chinese))

[5] MYCEK P, GAURIER B, GERMAIN G, et al. Experimental study of the turbulence intensity effects on marine current turbines behaviour. Part 2: two interacting turbines[J]. Renewable Energy, 2014, 66(7):876-892.

[6] 張亮, 尚景宏, 張之陽(yáng),等. 潮流能研究現(xiàn)狀2015：水動(dòng)力學(xué)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2016, 35(2):1-15. (ZHANG Liang, SHANG Jinghong, ZHANG Zhiyang, et al. Study status of tidal current energy 2015：hydrodynamics[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(2):1-15. (in Chinese))

[7] LI Linjuan, ZHENG Jinhai, PENG Yuxuan, et al. Numerical investigation of flow motion and performance of a horizontal axis tidal turbine subjected to a steady current[J]. China Ocean Engineering, 2015, 29: 209-222.

[8] MCADAM R A, HOULSBY G T, OLDFIELD M L G. Experimental measurements of the hydrodynamic performance and structural loading of the Transverse Horizontal Axis Water Turbine: Part 1[J]. Renewable Energy, 2013, 59: 105-114.

[9] MCADAM R A, HOULSBY G T, OLDFIELD M L G. Experimental measurements of the hydrodynamic performance and structural loading of the Transverse Horizontal Axis Water Turbine: Part 2[J]. Renewable Energy, 2013, 59: 141-149.

[10] MCADAM R A, HOULSBY G T, OLDFIELD M L G. Experimental measurements of the hydrodynamic performance and structural loading of the Transverse Horizontal Axis Water Turbine: Part 3[J]. Renewable Energy, 2013, 59: 82-91.

[11] 張亞超, 姚炎明, 萬(wàn)猛, 等. 基于不同初始流速和推力系數(shù)的水平軸海流機(jī)尾流效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2014,48(12): 2271-2276.(ZHANG Yachao, YAO Yanming, WAN Meng, et al. Experimental study on the wake effect of horizontal marine current turbine based on different initial velocity and thrust coefficient[J]. Journal of Zhejiang University(Natural Sciences), 2014,48(12): 2271-2276. (in Chinese))

[12] 辛小鵬, 邵雪明, 鄧見(jiàn), 等. 串列布置雙轉(zhuǎn)子海流機(jī)水動(dòng)力性能預(yù)測(cè)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 45(7): 1227-1231. (XIN Xiaopeng, SHAO Xueming, DENG Jian, et al. Hydrodynamic performance prediction of tandem dual-rotor marine current turbine[J]. Journal of Zhejiang University (Natural Sciences), 2011, 45(7): 1227-1231. (in Chinese))

[13] MYCEK P, GAURIER B, GERMAIN G, et al. Numerical and experimental study of the interaction between two marine current turbines[J]. International Journal of Marine Energy, 2013, 1: 70-83.

[14] DIVETT T, VENNELL R, STEVENS C. Optimization of multiple turbine arrays in a channel with tidally reversing flow by numerical modelling with adaptive mesh[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical Physical & Engineering Sciences, 2013, 371: 20120251.

[15] STALLARD T, COLLINGS R, FENG T, et al. Interactions between tidal turbine wakes: experimental study of a group of three-bladed rotors[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical Physical & Engineering Sciences, 2013, 371:20120159.

[16] BARKHUDAROV M R. Lagrangian VOF Advection method for FLOW-3D[J]. Flow Science Inc Technical Note FSI03TN63R, 2004, 1: 1-11.

[17] VALERO D, BUNG D B. Sensitivity of turbulent Schmidt number and turbulence model to simulations of jets in crossflow[J]. Environmental Modelling & Software, 2016, 82: 218-228.

Investigation of hydrodynamic characteristics around parallel-arranged horizontal-axis tidal stream turbines

ZHANG Jisheng1, CAO Yunxiu1, WU Xiuguang2, SONG Fan1, DAI Peng1

(1.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China)

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 of 1.21%. 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.

tidal stream energy; tidal stream turbine; lateral spacing; relative installation height; incoming velocity; hydrodynamics; numerical simulation

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.03.011

2016-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479053)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ13_0259)

張繼生(1979—)，男，福建晉江人，教授，主要從事潮流能利用工程研究。E-mail：jszhang@hhu.edu.cn

P743.1

A

1000-1980(2017)03-0256-07