实验研究水轮机转轮直径与水深比对水动力特性影响

潮流能是一种清洁可再生的海洋能资源，由于其具有较强的可预测性，所以在海洋能开发过程中受到广泛的关注。利用水轮机获取潮流能过程中，引起了局部海域的水动力特性变化，尤其是水轮机下游出现水流速度减小，紊动强度增加，即产生尾流区。将会进一步影响其它水轮机的获能性能和运行稳定性。因此，研究水轮机下游尾流结构特征和衰减过程是优化水轮机机组获能性能的前提。

由于近岸和河口区域的水深有限，加之水流速度在垂向上非均匀分布，所以水轮机转轮直径与水深比是影响尾流衰减的一个关键因素。陈娅玲副教授及合作者在清华大学水沙科学与工程国家重点实验室开展一系列的水槽实验，研究叶轮直径与水深比(D/H)对潮流能水轮机获能特性和水动力特征的影响，包括叶轮的推力系数、三维尾流结构、紊动强度和雷诺切应力。

研究结果

研究结果显示，D/H对潮流水轮机的获能性能影响有限，但是较大的D/H引起水轮机获能的不稳定。不同的D/H产生的尾流结构相似，而尾流核心区的速度亏损随着D/H增加而增大，并且尾流边界层更加紊乱，在尾流衰减过程中进一步扩散(图1)。较强的紊动产生在剪切层中，垂向上紊动耗散速度并不均匀。对于较小的D/H，紊动耗散自上而下逐渐加强;对于较大D/H，紊动耗散初期先向两侧扩展，再沿垂向由下而上逐渐耗散(图2)。不同的D/H，剪切层中的雷诺切应力分布特征相近。较小的D/H，切应力在尾流近区单调递减;而较大的D/H，切应力在下游3倍转轮直径的距离内增加，然后开始衰减。也就是说随着D/H增加，下游尾流主要的混掺区向下游推移(图3)。