潮流涡轮机的能量提取参数化方案及其阵列优化研究——以 Quoddy Region海域为例
目前各种不同的潮流能涡轮机正在进行海试，但是示范阶段通常局限于单个或者少数几个涡轮机。在潮流能走向商业化的过程中，需要由多个涡轮机组成的潮流涡轮机阵列产生数量可观的潮流能。 在本论文中，有限体积近岸海洋模型（FVCOM）被用来模拟Quoddy Region海域的潮流，该海域位于美国缅因州和加拿大新不伦瑞克省之间，多个潮流通道水流流速强劲，是发展潮流能的理想地点。该模型仅用潮汐和河流径流驱动，模式结果经观测站位验证良好，可以再现该海域的潮汐特征。模式结果与观测都表明在该地区的潮流中伴随着很多漩涡，导致潮流流向经常产生波动，特别是在潮流转向的时候。通过模式结果，确定了潮流能密度较大的地点，其流速超过1m/s的时间占据40-60％。在Quoddy Region的潮汐模型中，用两种方式将涡轮机的作用参数化到模型中，模拟潮流涡轮机组提取能量的过程并计算提取能量的效率。一种方法命名为速度跃变法，可将涡轮机视为半渗透的物体，当潮流流速大于最低工作流速时，通过涡轮机的水流部分被阻碍。另一种方法命名为阻力法，将涡轮机的作用视为对水流的阻力。 本论文中，涡轮机被布设在Western Passage靠近Kendall Head处，岸线的突起就像一个天然的导管集中了潮流能量。虽然潮流能量在该潮流通道的西侧较大，实验中仍将涡轮机在断面上均匀排列。为了简化研究并使研究结果具有通用性，本论文中不指定某种特定的涡轮机类型，也不指定涡轮机的锚系方式,潮流涡轮机被布设与水柱的中层即第7、8与9三层。由于靠近岸边时水深减小，相当于在每一排涡轮机的两端，涡轮机尺寸较小。这种情况虽然是不真实的，但是可以简化计算。用速度跃变法时，设置了四大组实验分别对涡轮机间距、排列方式、流速衰减系数及最低工作流速对提取潮流能的影响进行分析。用阻力法时，设置三大组实验，分别对阻力系数、涡轮机叶片及最低工作流速对提取潮流能的影响进行分析。 当布设一排涡轮机时，随着涡轮机组占据断面的面积从6.7%增至33.3%，提取能量的效率也从3.93%增加至21.89%。两排平行布置的涡轮机会相互影响，第一排涡轮机提取能量的效率从3.93%降到3.01%。然而如果在两排平行布置的涡轮机组（第一排与第三排）之间再加入一排交叉布设的涡轮机组（第二排）时，第一排涡轮机的效率继续下降为2.88%。虽然第二排交叉布设的涡轮机组距离第一排为80m，而两排平行布设的涡轮机组之间距离为160m，但是前者导致的效率下降为0.13%比后者0.92%小很多。第三排涡轮机组的效率比第一排更高，可达4.8%，导致两排平行布置的涡轮机组总效率可达3.94%。第三排涡轮机组的效率更高是因为与第一排涡轮机组相比，第三排中有更多的涡轮机处于潮流流速较高的区域内。当增加一排交错布设的涡轮机后，第三排涡轮机组的效率有略微的提高。不同的涡轮机组排列方式下提取能量效率的改变可以由每个涡轮机产生的尾流以及涡轮机之间流速的轻微上升来解释。将涡轮机布设在尾流中将导致提取能量效率的下降，用交错布设的方式则可以明显提高涡轮机组整体的效率。最低工作流速为1.0m/s时，速度衰减系数为0.6时，提取能量的效率最高，而当最低工作流速为0.7m/s时，提取能量效率最高值出现在流速衰减系数为0.9m/s时。 阻力法从另一个角度证明了涡轮机叶片在不工作情况下，对水流的影响很小。当涡轮机尺寸的倍数增加时，由于涡轮机对水流的副作用也增加了，导致涡轮机提取的能量并不能成倍的增长。 提取能量的过程对周围水动力环境的影响也在本文中进行了详细的分析。
潮流涡轮机;能量提取;参数化方案;阵列优化;近岸海洋模型
中国海洋大学
博士
物理海洋学
鲍献文
2013
中文
P742
124
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）