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潮流能提取水动力响应数值研究

袁金雄  
【摘要】:作为海洋可再生能源的一种,潮流能的开发利用目前备受关注。潮流能提取水动力响应的研究,能够更清楚的了解潮流能发电机对周围水流的影响,对潮流能发电机机群布置方式的优化、海洋环境与生态的保护有一定的指导作用。 本文采用不同数值方法分别对潮流能提取近场和远场水动力响应进行了模拟研究。模拟利用了CFD模型建立三维数值水槽,设计单个和不同间距的多个潮流能发电机布置方案,模拟了近场水动力变化,并对计算结果进行了对比分析。同时通过建立平面二维潮流数学模型,并采用增加动力方程的阻力项来代替潮流能发电机机群的作用,模拟了龟山水道机群潮流能提取远场水动力响应。结果表明: 1)发电机在水槽中阻碍了水流的运动,使其上游水位雍高,越过发电机以后水位发生下跌,在下游约两倍发电机直径距离处水位达到最小值。发电机附近由于能量的损失,流速发生明显的下降,发电机下游产生明显的尾流效应,同时发电机周边及尾流外流速有较明显的增加,但下游一定距离后流速逐渐恢复。 2)两台发电机之间会产生流速增大区,横向间距越近,产生的流速增大区域越小;横向间距大于2倍直径时,比较适合布置第二排发电机。布置两排发电机时,两排发电机会相互影响。在第二排发电机周边出现流速增大区,但受上游发电机尾流的影响,流速又迅速减小,且下游发电机流速减小区域明显要大于上游发电机;三个发电机的尾流在下游20倍直径距离远后发生混合,产生较大的流速减小区域。 3)龟山水道潮流能提取远场水动力模拟计算显示:发电机功率系数取0.5时影响比0.3时大,但影响基本局限在5km范围内;两种情况下,周围海域水位的变化都在5cm以内;潮周期内,急流时刻流速影响最大;机群内部及上下游流速都减小,而机群两侧及邻近水道流速会增大;平均功率密度的减小沿机群周围分布,且偏向于优势流方向,同时机群两侧和邻近水道平均功率密度会增大。


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