能源问题是一个关系到国家经济和社会发展的重要问题。随着经济社会的发展，能源消耗越来越多，并带来了严重的环境污染问题。海洋蕴藏着大量的可再生能源，如潮流能［1］。因此，世界上主要沿海国家，都投入了大量人力和物力进行海洋能研究。

目前，潮流能发电技术主要有三种能量捕获形式，包括水平轴叶轮技术、竖直轴叶轮技术和振荡水翼技术［2-4］。英国工程商业公司最早开发了振荡水翼潮流发电工程样机，最大发电功率为85kW，最大能量捕获效率为11.5%。加拿大拉瓦尔大学研发了2kW工程样机，采用双振荡水翼串联布置结构，能量捕获效率为30%［5］。哈尔滨工程大学徐建立等研制了实验用流水摆式发电机［6］。相关学者也系统研究了振荡水翼发电技术，研制了双水翼耦合振荡样机［7，8］。但是，在复杂流场下，双水翼耦合振荡系统的水动力和捕能性能仍有待于深入探讨，以使系统获得更高的捕能效率。

本文通过Fluent软件对双水翼振荡运动进行数值模拟，分析不同工况下的水动力和捕能性能，研究振荡频率、俯仰力矩、翼型等对双水翼水动力学性能的影响，探讨双水翼耦合捕获潮流能发电系统的参数设计。

1 潮流能发电双水翼捕能系统原理

潮流能发电双水翼捕能机构由两个水平布置的水翼组成（见图1）。在水流作用下，水翼完成俯仰运动和升沉运动。

图1 潮流能发电双水翼捕能机构注：数字均表示水翼。

水翼1的升沉运动与水翼2的俯仰运动，通过液压油路相连，实现联动。同样，水翼2的升沉运动与水翼1的俯仰运动实现联动。运动耦合联动可有效消除死点位置对振荡过程连续性的影响，从而可实现潮流能的稳定发电。

2 水翼流场有限元模型

采用商用CFD软件的Fluent软件包模拟计算绕振荡水翼的流场。图2为双水翼周围的计算流体域网格模型。

图2 双水翼的网格模型

3 双水翼捕能系统的动力特性

3.1 水翼参数

所分析的水翼翼型为NACA0015，弦长1 000mm，前缘距俯仰轴的长度Xp与水翼弦长c比值为Xp/c=1/3，如图3所示。

图3 水翼截面

水翼俯仰振幅为75°，俯仰-升沉相位差为90°，雷诺数Rec=500 000，当量振荡频率为：

其中，f为水翼振荡频率，f*为当量振荡频率，U∞为水流流速。

3.2 振荡频率的影响

图4为不同当量振荡频率不同时刻下双水翼周围的漩涡结构图，图中T为水翼振荡周期，t为时间变量。从图左到图右的 f*分别为0.10、0.12、0.14、0.16。从图上可以看出，当f*为0.10和0.12时，水翼发生边界层分离现象，造成漩涡脱落，进而引起水翼的升力、阻力、力矩、功率系数等发生波动；当f*为0.14和0.16时，未见明显的边界层分离和漩涡。

图4 双水翼周围的漩涡图

3.3 俯仰振幅、雷诺数和翼型的影响

选取4种典型的俯仰振幅进行分析。双水翼的扫掠高度分别为4.6c、4.8c、5.1c和5.2c时，双水翼的平均功率系数-CP分别为1.123 1、1.258 5、2.123 1和2.022 3。在弦长一定的情况下，俯仰振幅会直接影响能量捕获效率和功率。

雷诺数的数值决定于来流流速U∞、水翼弦长c、运动粘度 v，即 Rec=U∞c/v。雷诺数分别为 2.0×105、5.0×105、1.0×106和2.0×106时，水翼的捕能效率分别为38.28%、38.32%、39.15%和38.89%。雷诺数对双水翼平均功率系数和捕能效率影响较小。

对四种典型的水翼翼型进行比较分析。将翼型厚度从9%逐次增加到12%、15%和18%，捕能效率分别为38.07%、38.97%、41.63%和40.99%，出现先增后降的规律。

3.4 俯仰轴位置的影响

图5是当量振荡频率为0.06时，单水翼在3T/8时刻表面所受周围流场的压力。俯仰轴位置越靠近水翼前缘，水翼两个表面的压差越大，升力平均功率系数越大。

4 结论

当量振荡频率较低时，水翼边界层有分离现象，导致漩涡脱落，发生边界层分离现象，进而引起双水翼的升力、阻力、力矩、功率系数曲线波动。在弦长一定的情况下，俯仰振幅会直接影响能量捕获效率和功率。翼型的厚度对系统的各项系数影响较大。雷诺数对水翼捕能效率的影响较小。

图5 俯仰轴位置的影响

［1］韩家新.中国近海海洋：海洋可再生能源［M］.北京：海洋出版社，2015.

［2］张亮，李新仲，耿敬，等.潮流能研究现状2013［J］.新能源进展，2013（1）：53-68.

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0302/536.html

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