随着全球变暖等一系列由于化石燃料燃烧导致的环境问题以来，人们对可再生能源的开发和利用已经愈加重视。其中，潮流能作为一种开发潜力巨大的可再生能源，在近些年已经逐步引起了人们的关注。英国[1]、美国[2]、法国[3]等国家都已开始了潮流能的研究，在2009年欧洲海洋能中心(EMEC)颁布了第一份潮流能开发标准体系[4]并建立了较大规模的潮流能设备海试试验基地。到目前为止，各类潮流能水轮机也在不断地研究和测试中，其发展水平已接近产业化[5]。

相比于国外而言，我国潮流能技术也同样发展迅速[6]。近些年，在国内的许多水域进行了较多潮流能资源评估的研究，并对潮流能转化装置进行了研制[7]。在开发潮流能资源时，潮流能转化装置的安装可能会对其周围的自然水流模式产生影响，从而改变沉积物的分布和输运，进而影响物理环境，尤其是大型商用阵列的布放可能逐渐改变海洋物理环境，因此在进行大规模潮流能开发时有必要对潮流能转化装置阵列对水域潮流特性的影响进行研究。

以青岛斋堂岛及附近水域为研究对象，该水域的潮汐类型属于正规半日潮，最大潮差达到4.6 m，平均差约为2.8 m。其中，在斋堂岛东南部水域水深为35～40 m且水底相对较为平坦，大潮期间峰值流速能超过1.9 m/s，是我国北方比较有代表性的潮流能资源区。近些年来，许多关于潮流能的研究都是围绕该水域进行的：在2012年，李华军等[8]通过Flux方法对其琅琊台海峡的潮流能资源进行了评估；同年，邵萌等[9]对在该水域建立500 kW海洋能独立电力系统示范工程进行了规划；在2013年，史廉博等[10]基于FVCOM建立三维水力学模型并对水域潮流特性进行分析；在2014年，纪合盼等[11]通过实测水文数据对潮流能发电站的建设进行初步规划；在2015年，陈娅玲等[12]采用动量损失的方法模拟水轮机，并对该水域的水轮机阵列方式进行了研究；在2017年，林杰等[13]基于Delft 3D研究了该水域的漩涡等因素对潮流能提取可能带来的影响。从现有文献来看，目前的研究多集中于对装置发电能力的优化以及区域潮流能资源的评估，而对潮流能装置对海洋环境的影响研究还很少。

本文基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及附近水域的三维水力学模型，并通过实测数据对模型进行验证。经过验证后的模型，在合理确定该水域中水轮机阵列放置位置[14]的基础上，利用等效[15]方式模拟水平轴潮流能水轮机阵列，对加入水轮机阵列后的水力学模型进行计算，分析水轮机阵列对区域流场的水位和流速等影响，为未来在此水域开发潮流能资源提供参考。

1 潮流场水力学模型

1.1 建立模型

本次研究采用Delft 3D的Flow模块建立水力学模型。基于浅水方程和Boussinesq假设，该模型采用有限差分法求解斜压下的N-S输运方程，既可以用于二维模型，也可以用于三维模型计算[16]。其主要基于三组控制方程，分别是：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

输运方程：

其中:ζ表示水位(总水深)；d表示到参考平面的当前水深(净水深)；U、V分别代表在x，y方向上的速度分量；Q代表单位面积上质量源强度；f为科氏力参数；vh是动态水平涡流粘度；ρ0是参考密度；ρ′是不规则密度；τsx、τsy是作用在海平面上的风压分量；τbx、τby为底部的剪应力分量。在输运方程中，c代表盐度或者温度；Dh是水平涡流消散度；λd代表一阶衰减过程；g为重力加速度；R为单位面积上的源项。

本次研究的模拟水域为青岛斋堂岛及其附近水域。斋堂岛隶属于山东省青岛市，位于琅琊台东南方向海中，地理坐标为北纬35°38′，东经119°55′(见图1)。

为提高模型输出结果的计算精度和减少计算机资源利用，在建模过程采用网格嵌套(Nesting)方法，分别建立2个水域范围和网格分辨率不同的模型(见图2，图中黑色区域为大范围水域网格范围，红色区域为小范围网格范围，蓝线为陆线)。

图1 斋堂岛地理位置Fig.1 Geographic location of Zhaitang Island

大范围水域所建立的模型由其开边界上通过OTIS提供的8个潮汐调和常数(M2、2、N2、K1、K2、O1、P1、Q1)进行驱动，考虑到OTIS的输出的潮汐调和常数的分辨率(1/30(°))，需要建立足够大小的水域计算网格范围保证足够数量的调和常数作为边界条件，从而确保模型仿真结果的可靠性。网格分辨率由水平方向上的水深数据分辨率决定，网格尺寸选取600 m×600 m并在斋堂岛区域局部加密到120 m×120 m。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0220/514.html

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