Simulation Study of Potential Impacts of Tidal Farm in the Eastern Waters of Chengshan Cape, China

The sea area east of Chenshan Cape has peak tidal current flows that exceed 2.3 m s^-1,which make it a promising site for the development of tidal current energy.Before these resources can be exploited,a comprehensive assessment is needed of the potential environmental impacts of the extraction of this energy.In this paper,we describe our construction of a three-dimensional hydrodynamic model of the waters near Chengshan Cape,and verify the performance of the model using continuous data measured in situ.We modeled the potential impacts of the exploitation of these resources on the flow field by adding a momentum loss term in the governing equation of the model.Simulation results show that an assumed tidal farm with an estimated power output of 20.34 MW would have a significant impact on the surrounding water level,especially next to the farm,where fluctuation could reach 6 cm.The maximum drop in the flow velocity in the wake of the farm was predicted to be more than 0.8 m s^-1,and this influence would extend 10 km downstream.

叶尖形式对潮流能水轮机性能及尾流的影响

以水平轴潮流能水轮机作为研究对象,采用试验与仿真相结合的方法,研究叶尖优化处理对于水轮机水动力性能、尾流恢复及叶尖涡控制的影响。结果表明:叶尖优化模型能有效减弱叶尖处从压力面向吸力面的回流,大幅减轻叶尖涡整体的强度,对加速水轮机尾流的恢复、提高水轮机的水动力学性能具有积极作用。研究显示与基础叶片水轮机模型相比,叶尖优化水轮机模型的获能系数整体增加1.92%。

潮流能水轮机阵列方式与其产能关系研究

潮流能资源的商业化开发,一般通过潮流能水轮机组成阵列来实现,因此,需要考察潮流能水轮机的阵列方式与其产能的关系。文章基于Delft 3D-Flow软件建立了青岛斋堂岛及其附近水域的三维水动力模型。经TSE方法选取阵列在目标水域的放置位置后,采用动量损失的方法将潮流能水轮机对流场的影响进行等效,研究不同阵列排布方式下的实际产能。研究结果表明:在单位面积的潮流场中,当阵列中的水轮机间距小于一定值时,通过缩小间距来增加阵列中水轮机的数量对阵列的整体产能提升不大;增加阵列中的水轮机间距可提高单台水轮机的平均产能,但是,当间距大于一定值时,继续增加间距,单台水轮机的产能变化并不显著。

实海况下流速梯度对潮流能水轮机水动力性能影响的数值研究

针对实海况条件下来流梯度,基于现场实测的流速和水深数据,对实尺度水平轴潮流能水轮机的水动力学性能进行仿真,对比水轮机在流速梯度影响下获能和轴向力变化规律。结果表明,真实潮流场中流速梯度不仅对水轮机的获能和轴向力产生影响,还会造成流场的布放水深对水轮机实际获能产生影响。同时,流速梯度造成水轮机运行时所受载荷发生动态变化,使得叶片处于不同位置时轴向力和转矩呈现周期性波动,影响叶片的获能和动力稳定性,引起振动和寿命疲劳等问题。

潮流能水平轴水轮机翼型几何参数对其转捩特性的影响研究

边界层转捩对潮流能水轮机翼型的摩擦阻力、流动的分离位置等有较大影响,为了研究潮流能水平轴水轮机翼型的转捩特性,以NACA4418为初始翼型,采用控制变量法对初始翼型进行几何修形来研究不同厚度、不同弯度对潮流能水平轴水轮机翼型边界层转捩及其水动力学性能的影响。通过Fluent软件中的UDF功能将Michel转捩判据与γ-Reθ转捩模型相结合的经验关联值写入求解器中。通过计算,得到不同弯度和厚度的翼型转捩点位置随不同来流攻角的变化规律以及翼型表面的边界层转捩对其水动力学性能的影响规律。研究结果表明:典型工况下,来流攻角越大,翼型边界层转捩点位置随攻角的增大前移,相对厚度和相对弯度均会使转捩点向前缘移动,小攻角条件下弯度影响有减缓的趋势。

波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性影响研究

通过将Delft3D-FLOW和WAVE模块在线耦合,建立斋堂岛海域的三维波流双向耦合模型,并通过动量损失的方式等效模拟潮流能水轮机阵列,以此为基础研究波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性的影响。结果表明:水轮机阵列放置后,区域海域水位变化最大可达约2 cm,流速变化最大可达约0.4 m/s;在波流耦合环境下,沿岸区域以及水流流过水轮机阵列和海峡后的交汇区域水位和流速变化较大,且表层和中层流速变化更为明显,波浪带来的区域潮位变化约为1 cm,表层和中层流速变化约为0.25 m/s。

基于波流耦合分析下的斋堂岛海域潮流特性研究

利用Delft3D FLOW和WAVE模块建立斋堂岛海域的潮流场、波浪场水动力学模型,并通过2个模块在线耦合的方法建立波流双向耦合模型,模拟并分析波流耦合环境下的斋堂岛海域潮流特性;根据波流耦合模型和潮流模型数值模拟的结果,对比分析波流耦合环境下的斋堂岛海域潮流特性变化,同时研究波浪在沿岸不同的空间位置对流速变化的影响。结果表明:斋堂岛海域在离岸位置160~400 m的波浪破碎带区域内,波浪对流速的影响较为明显,且在水深较浅区域影响幅度大于水深较深区域。

悬浮轮辋式潮流能发电装置的导流罩水动力学性能仿真研究

中国潮流能储备量巨大但大部分地区流速较低,针对这一问题设计一款安装方便、自动对向的小型悬浮轮辋式潮流能水轮机。运用数值模拟方法,对不同前缘形状、尾部张角和长度比例的导流罩水动力学性能进行研究,分析悬浮轮辋式水轮机的诱导因子,得到1.5 m/s流速下的导流罩诱导因子达-0.8902,且a_(i)+a_(d)<0。通过比较,斜面前缘、45°尾部张角以及长度比例为7∶13廓形的导流罩具有良好的水动力学性能,可以增加潮流能水轮机的获能效率,为后续悬浮轮辋式水轮机的导流罩廓形设计和制造提供了依据。

基于LCOE地图的斋堂岛海域潮流能发电站规划选址研究

基于LCOE地图新工具,通过将Delft 3D潮流数值模型与经济参数LCOE相结合,将资源可利用性和经济性结合来进行潮流能发电站的规划选址,并结合LCOE地图参数的变化,对比分析不同参数对潮流能发电成本的影响。结果表明:斋堂岛东南部海域是规划潮流能发电站较为理想的区域;提高功率系数和降低建设成本是降低潮流能发电成本应首先考虑的因素。

线性波作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能的数值模拟

文章以20 kW水平轴潮流能水轮机为例,分别选取正常工况和极限工况下的波浪参数,运用计算流体动力学软件Fluent对线性波作用下的水平轴潮流能水轮机的水动力性能进行了数值模拟。数值模拟结果表明:水平轴潮流能水轮机在波浪作用下会受到交变的海洋环境载荷的作用,在该环境载荷的作用下,水轮机的各项水动力性能参数发生周期性变化;正常工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为3%左右,波浪对水轮机的影响不大;极限工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为35%左右,波浪对水轮机的影响很大。波浪对水轮机的影响不容小觑,对此,工程上应尽量避开波浪影响区或采取适当的措施提高水平轴潮流能水轮机叶片和支撑结构的疲劳强度,以减小波浪对水平轴潮流能水轮机性能的影响和破坏。

涡流发生器对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响的数值模拟

为了改善潮流能水轮机叶片表面流动分离问题,提高其升阻比,本文通过在潮流能水轮机叶片表面加装涡流发生器,来研究涡流发生器对潮流能水轮机水动力学性能的影响。本文以NACA4418翼型为研究对象,分别建立了含VGs和不含VGs的三维模型,利用CFD方法研究了VGs的高度、长度以及相邻一对VGs之间的间距等多个方面对该翼型性能的影响。结果表明:VGs可以有效地提高翼型的最大升力系数;相邻VGs间距的增加对流动分离的抑制有积极影响。此外,通过对尾迹区流线和旋涡的分析,进一步揭示了尾迹区的流场特征。

边界层网格参数对潮流能水轮机数值模拟的影响研究

在计算流体动力学模拟中,边界层设置会对仿真计算结果有较明显的影响。然而,在高雷诺数的模拟中,边界层计算量大且实现复杂。因此,在有限硬件资源的前提下,如何合理设置边界层网格并预测其计算误差非常必要。以水平轴潮流能水轮机为例,基于结构化网格建立其数值模型,结合CFD数值模拟结果与实测数据,对叶片附近不同边界层网格尺寸下的水轮机进行水动力性能分析。结果显示:叶片近壁面流动特性对转子水动力性能数值模拟结果的影响不容忽视,在1.4 m/s的正向来流下,采用不同尺寸的边界层网格求解出的流速分布及水轮机转矩、轴向力会产生较明显的差别。

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。

不同涡流发生器参数对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响研究

将涡流发生器(VGs)流动控制理论引入到水轮机叶片设计领域,开展涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离效应的抑制机理及水动力学特性研究。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立基础翼型段和带VGs翼型段的潮流能水轮机翼型三维模型,应用CFD方法研究不同VGs排布方式、间距、高度以及长度参数对翼型段水动力性能的影响。结果表明:翼型段上安装VGs能有效减缓流动分离,合理的VGs排布方式可有效提高翼型的最大升力系数,正向排布优于反向排布,VGs间距为25 mm、高度为5 mm、长度为17 mm时对翼型段改善效果最佳,各组带VGs翼型最大阻力系数都增大约5%,翼型整体性能上升。利用水槽试验的方法验证仿真模型的准确性。此外,通过对翼型段进行二维流场分布以及VGs背流侧进行静压分布研究,进一步揭示VGs的作用机理。

潮流能水轮机转子直径对阵列产能及附近水域的影响研究

为研究潮流能水轮机转子直径对阵列产能及附近水域的影响,基于Delft3D-Flow模块,采用区域分解法建立斋堂岛水域水动力模型,并通过实测数据进行验证。根据全年TSE指数分布及斋堂岛水深特性进行阵列选址及布置,结果显示:在布置区域及阵列布局相同的情况下,水轮机转子直径选取不同值时阵列对流场的影响基本相差不大,但转子直径增大时,阵列产能先升后降,存在最大值。

基于区域嵌套法与区域分解法的潮流能开发模型对比研究

基于浅水方程和Boussinesq假设,通过Delft 3D-Flow模块,采用动量损失的方法建立潮流能开发模型。分别采用区域嵌套法与区域分解法建立模型,并通过斋堂岛水域实测数据进行验证。对两模型的模型精度与环境影响进行对比研究,结果显示:区域分解模型可有效节约计算成本,适用于潮流能水轮机阵列对大范围水域影响及复杂地形潮流能的研究。

实度对导流罩式水轮机性能影响的数值研究

为了研究转子密实度对导流罩水轮机的影响,建立导流罩水轮机的三维数值模型,利用CFD方法考察多组不同实度叶片下的导流罩水轮机性能参数和流场流速及压力分布。结果显示,额定流速下叶片实度的改变对导流罩式水轮机的水动力性能产生显著影响,实度增加,最大功率系数下降,且导流罩对涵道内流体的增速作用减弱。

涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离特性影响研究

当来流速度过大或在大攻角来流工况下,潮流能水轮机叶片边界层会发生流动分离,导致获能效率降低,甚至会使叶片发生失速破坏。针对上述问题,该文将涡流发生器(VGs)理论与水轮机叶片设计相结合,开展VGs对潮流能水轮机叶片流动分离现象的抑制机理研究。以NACA63418翼型设计的潮流能水轮机叶片为研究对象,分别建立带和不带VGs的叶片三维模型,应用CFD方法研究VGs对潮流能水轮机叶片的流动分离特性影响。结果表明:水轮机叶片流动分离主要发生在吸力侧表面叶根部分,随着流速的增大会沿叶根向叶尖径向扩展;VGs能有效减小水轮机叶片吸力侧表面分离区域,抑制流动分离现象发生;在该研究中,安装VGs后水轮机叶片整体获能性能提升明显,获能系数增加0.5%~5.0%,且能增加潮流能水轮机运行稳定性。

数据驱动的潮流能水轮机叶片翼型性能保真替代计算模型对比研究

在对翼型Bezier-PARSEC参数化软件FanOpt的应用方式改进后建立数据集,以翼型升阻比特性为目标,分别利用支持向量回归(SVR)、决策树、随机森林回归、全连接神经网络、一维卷积神经网络等机器学习模型进行拟合,训练模型比较拟合精度。结果表明,全连接神经网络、一维卷积神经网络作为替代计算模型在测试集上对升阻比的预测准确率可达97.86%,但相比于一维卷积神经网络,全连接神经网络在处理这种结构不复杂的数据集时更有优势。

基于FVCOM的渤、黄海潮汐潮流数值模拟

本文基于FVCOM海洋模式,采用高分辨率非结构三角形网格,构建了渤、黄海区域的数值模型,对该海域M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1和Q1八个主要分潮进行数值模拟。考虑实际岸线和水深情况,模型采用干湿网格可以较好模拟出沿岸的潮汐潮流。通过沿岸20个验潮站实测调和常数资料对模拟结果进行验证,M2、S2、K1、O1分潮振幅绝对平均偏差分别为4.57cm、4.62cm、3.84cm、4.86cm,迟角绝对平均偏差分别为6.78°、4.60°、3.81°、6.02°,计算值与观测值较为接近;表层潮流椭圆分布基本反映了渤、黄海海域的潮流特性,其中M2分潮潮流最大流速在朝鲜半岛西北部海区可以超过190cm/s。