21世纪以来，面对常规能源日益枯竭、环境恶化的局面，各国将目光转向可再生能源。海洋潮流能因为优越的可再生性、环保性及巨大的贮藏量成为了当下重点的研究对象。潮流能发电装置是将潮流动能转换为电能的装置或系统，水轮机作为发电装置的核心部件之一，可根据转子轴向与潮流流向的相对位置关系分为垂直轴式（又称竖轴式）和水平轴式。其中基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置具有较多优点。而漂浮式潮流发电装置系泊于海上时，载体和水轮机之间的非线性耦合效应会导致载体的大幅运动，增加水轮机的功率、载荷输出波动，从而降低水轮机的发电效率。

图1 双转子潮流能水轮机示范装置

近日，我实验室海洋可再生能源创新团队首席科学家马勇教授利用在П型竖轴双转子潮流能水轮机高效获能技术领域取得新的研究进展。该研究基于动网格及滑移网格方法，建立了П型竖轴双转子水轮机在浪流联合作用下的水动力性能及尾流场数值预报方法。结果表明，П型竖轴双转子水轮机的布置型式可以有效地提高单机发电功率。水轮机在浪流的联合作用下，海浪频率及水轮机运动幅值的增加，会显著的增加水轮机功率及载荷输出波动范围，但对功率、载荷输出平均值没有影响。水轮机的尾流场显示，电站运动幅值的增加不会改变叶片泄涡频率，仅增加了尾流区的长度。但海浪频率的增加会明显增大叶片泄涡频率，造成叶轮载荷及功率输出波动幅值增大，从而降低叶片的疲劳寿命。研究结果可为大功率漂浮式潮流能发电装置的开发利用提供参考和借鉴。

图2  П型竖轴双转子水轮机

图3 水轮机在纵荡运动下的功率输出特性曲线

图4 竖轴双转子水轮机在纵荡运动下的尾流场云图

研究成果于2021年3月在Elsevier旗下海洋工程领域Top期刊Ocean Engineering(中科院1区SCI，影响因子3.068)上发表，题目为“Hydrodynamics and wake flow analysis of a Pi-type vertical axis twin-rotor tidal current turbine in surge motion”。论文由海洋可再生能源利用团队首席科学家马勇教授、团队核心成员李磊、胡超共同完成，马勇教授与李磊高工分别为文章的第一作者和通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金以及我实验室创新团队建设科研经费等的支持。

原文链接：https://www.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.108625