配有導(dǎo)流涵道的垂直軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力性能研究

張　歡，程帥兵，陳　兵

（大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧　盤(pán)錦 124221）

配有導(dǎo)流涵道的垂直軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力性能研究

張歡，程帥兵，陳兵*

（大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧盤(pán)錦 124221）

垂直軸潮流能水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)任意流向等優(yōu)點(diǎn)，但其能量轉(zhuǎn)換效率低于水平軸水輪機(jī)，在運(yùn)行時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，不利于水輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，易引起結(jié)構(gòu)疲勞。本文針對(duì)垂直軸潮流能水輪機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種導(dǎo)流涵道裝置，利用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流涵道裝置情況下的水動(dòng)力性能。結(jié)果表明，導(dǎo)流涵道可以起到整流的作用，使流體在水輪機(jī)盤(pán)面內(nèi)的流動(dòng)更加平順。另外，導(dǎo)流涵道裝置不僅可以提高水輪機(jī)的能量利用率，還能有效改善作用在水輪機(jī)葉片上的水力驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，改善了水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，提高了結(jié)構(gòu)可靠性。

垂直軸水輪機(jī)；導(dǎo)流涵道；數(shù)值模擬；能量利用率

資源與能源是人類(lèi)生存和發(fā)展所必須面對(duì)的問(wèn)題之一。隨著化石能源的過(guò)度消耗，環(huán)境問(wèn)題的日益惡化，人們不得不將目光轉(zhuǎn)向那些可再生能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等。潮流能不僅是一種清潔能源，而且與其他海洋能相比，具有可預(yù)測(cè)性高、能量密度大的特點(diǎn)，因此逐漸受到世界各國(guó)研究人員的重視。目前，許多沿海國(guó)家，如英國(guó)、加拿大、美國(guó)、韓國(guó)等正在大力開(kāi)發(fā)潮流能資源。我國(guó)同樣也投入大量的人力和財(cái)力對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。然而，由于經(jīng)濟(jì)因素及技術(shù)因素的制約，潮流能發(fā)電目前還未能到商業(yè)化階段。

潮流能水輪機(jī)可分為水平軸式和垂直軸式；水平軸潮流能水輪機(jī)被認(rèn)為是能量利用率最高的潮流能發(fā)電裝置，據(jù)報(bào)告其能量利用率可以達(dá)到48%［1］。但是，水平軸水輪機(jī)必須時(shí)刻使葉輪面向來(lái)流方向；另外，水平軸水輪機(jī)的葉片表面形狀是復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)曲面，加工較困難。與之相比，垂直軸水輪機(jī)可以在任意來(lái)流方向下運(yùn)行，不需要變向調(diào)控裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，具有其自身的優(yōu)勢(shì)。

垂直軸式按驅(qū)動(dòng)力類(lèi)型可分為阻力型和升力型。較著名的Savonius垂直軸水輪機(jī)是一個(gè)典型的阻力型潮流能發(fā)電裝置，這種裝置通常在低流速條件下運(yùn)行，人們?cè)鲞^(guò)大量的嘗試來(lái)優(yōu)化它的效率，但被記錄過(guò)的最大效率只有20%［2］。而升力型垂直軸水輪機(jī)的效率比阻力型高，通過(guò)已知記錄的數(shù)據(jù)可以了解到，該型水輪機(jī)效率可達(dá)到33%［3］。

目前，研究潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能的方法主要有兩種：模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬不受比尺效應(yīng)影響、成本低、可記錄全面的流場(chǎng)信息，已逐漸發(fā)展成為不可或缺的研究手段。國(guó)內(nèi)外研究人員利用不同的模擬方法，對(duì)垂直軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。Lam和Dai等［4］分析了不同形式的直葉片的水動(dòng)力性能；Hwang等［5］利用粘性CFD方法研究了直葉片水輪機(jī)在固定轉(zhuǎn)速下不同葉片數(shù)量、葉尖速比及攻角對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能及能量利用率的影響；Li等［6］使用UBC離散渦方法分析了不同葉尖速比情況下水輪機(jī)的輸出功率及扭矩波動(dòng)情況。Le［7］利用粘性CFD方法分析了水輪機(jī)在給定負(fù)載力矩下的水動(dòng)力性能。

潮流的功率與流速的三次方成正比［8］，相比于風(fēng)能，雖然潮流的能流密度大，但流速較低。為了提高潮流的流速，許多學(xué)者將應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的導(dǎo)流涵道裝置引入到潮流能發(fā)電領(lǐng)域，用以提高水輪機(jī)的輸出功率。導(dǎo)流涵道裝置主要有兩種形式：一種為首尾對(duì)稱(chēng)形式，其考慮到潮流流向的往復(fù)性特點(diǎn)，將導(dǎo)流涵道的入流段與出流段的型線(xiàn)設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)形式，使其在雙向來(lái)流下均可獲得一定的增速效果。張亮，Wan，Setoguchi等學(xué)者［9-11］曾研究了對(duì)稱(chēng)式導(dǎo)流涵道各個(gè)參數(shù)對(duì)增速性能的影響。另一種是非對(duì)稱(chēng)形式的導(dǎo)流涵道，其是將導(dǎo)流涵道裝置的出流段型線(xiàn)設(shè)計(jì)成向外擴(kuò)張的形式，當(dāng)水流流過(guò)裝置時(shí)，會(huì)在出流段附近形成一個(gè)低壓區(qū)，前后壓差產(chǎn)生的抽吸效果可以使通過(guò)水輪機(jī)的潮流流速增加，進(jìn)而提高水輪機(jī)輸出功率。Ponta［12］設(shè)計(jì)了一款尾部擴(kuò)張形式的導(dǎo)流涵道，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析；Alidadi［13］利用軟件對(duì)導(dǎo)流涵道外形進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；Malipeddi［14］比較了不同參數(shù)下導(dǎo)流涵道的水動(dòng)力性能；Cosoiu［15］將由多塊NACA葉片組成的水平軸風(fēng)機(jī)的導(dǎo)流涵道引入到垂直軸潮流能水輪機(jī)上，并研究其對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響。

當(dāng)導(dǎo)流涵道中不放置水輪機(jī)時(shí)，通常涵道內(nèi)的流速會(huì)大于來(lái)流流速。但涵道中放置水輪機(jī)后，若水輪機(jī)對(duì)水流的阻力太大，水流也可能繞過(guò)涵道從周?chē)髯?，反而使涵道?nèi)流速減小。因此水輪機(jī)和導(dǎo)流涵道的相互匹配是需要進(jìn)行系統(tǒng)研究的。

2011-2013年，大連理工大學(xué)海洋能研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)國(guó)家海洋局公益項(xiàng)目的資助下，曾在大連長(zhǎng)山島海域開(kāi)展了15 kW潮流能水輪機(jī)發(fā)電項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)的垂直軸水輪機(jī)發(fā)電裝置在試運(yùn)行期間運(yùn)行良好［16-17］。本文采用與之前在海洋局項(xiàng)目中所使用的相類(lèi)似的潮流能水輪機(jī)，并提出采用導(dǎo)流涵道裝置的改進(jìn)方案。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比分析水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流涵道情況下的水動(dòng)力性能，驗(yàn)證了裝置在增速方面的效果。這為之后的水輪機(jī)及導(dǎo)流涵道裝置的設(shè)計(jì)與研究提供一定的參考。

1　模型及參數(shù)

1.1垂直軸水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表1　垂直軸水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2導(dǎo)流涵道參數(shù)

導(dǎo)流涵道采用非對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)。首端為光滑的弧形曲面，可避免偏向來(lái)流造成流線(xiàn)分離；尾端為向外擴(kuò)張形式的結(jié)構(gòu)，其具體形式和尺寸參數(shù)如圖1所示，單位為m。

圖1　導(dǎo)流涵道模型

2　研究方法

2.1原理介紹

目前對(duì)潮流水輪機(jī)的數(shù)值模擬，大多采用兩種方法：一種是讓水輪機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)來(lái)分析它的水動(dòng)力性能，這是一種簡(jiǎn)化的方法，與水輪機(jī)真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)存在一定的差異；另一種是讓水流驅(qū)動(dòng)葉輪，帶動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。在這種方法中，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的，其大小由水輪機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、作用在葉片上的水力驅(qū)動(dòng)力矩及水輪機(jī)輸出端的負(fù)載力矩所決定［7］。

水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式（1）所示：

式中：J為垂直軸水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ''為水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角加速度；MF為各葉片上所產(chǎn)生的水力驅(qū)動(dòng)力矩之和；MA為水輪機(jī)輸出端的負(fù)載力矩。

水輪機(jī)輸出端的負(fù)載力矩可由式（2）確定［18］：

式中：ω為水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速；b為與負(fù)載有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為負(fù)載系數(shù)。

由于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度不是恒定的，因此水輪機(jī)的輸出功率也是隨時(shí)間變化的，功率可以用下列參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：ω為水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度，平均輸出功率Pm可通過(guò)對(duì)瞬時(shí)功率P進(jìn)行時(shí)間平均求得。

水輪機(jī)的能量利用率為：

式中：ρ為流體密度；V為自由來(lái)流速度；S為水輪機(jī)迎流面積。

定義尖速比λ為：

式中：R為水輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)半徑。

2.2數(shù)值模擬方法

本文采用二維CFD方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算流體域尺寸進(jìn)行無(wú)關(guān)性校驗(yàn)后，確定的尺寸方案如圖2所示。

圖2　計(jì)算域及網(wǎng)格系統(tǒng)

圖2（a）為水輪機(jī)的計(jì)算域示意圖。流體域被分為兩部分，一部分為包含水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)域，其直徑為4.4 m，其余部分為固定域，兩個(gè)域的交界面采用滑移網(wǎng)格方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。設(shè)旋轉(zhuǎn)域直徑為D，計(jì)算流體域最左端為流體入口邊界，其到旋轉(zhuǎn)域最前端的距離為5倍D；計(jì)算流體域最右端為流體出口邊界，到旋轉(zhuǎn)域的距離為15倍D；上下兩端為對(duì)稱(chēng)邊界，到旋轉(zhuǎn)域的距離為10倍D。

圖2（b）為帶導(dǎo)流涵道水輪機(jī)的計(jì)算域示意圖。設(shè)導(dǎo)流涵道的長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為B，流體域入口邊界到導(dǎo)流涵道首端的距離為5倍L，出口邊界到導(dǎo)流涵道尾端的距離為15倍L，上下對(duì)稱(chēng)邊界到導(dǎo)流涵道上下兩端的距離為10倍B。

采用基于有限體積法求解N-S方程的ANSYS FLUENT軟件作為流體求解器，并利用基于壓力校正法的雷諾平均N-S模型來(lái)計(jì)算非穩(wěn)態(tài)條件下的流體特性；入口邊界設(shè)置為v=2 m/s的速度入口；出口邊界則設(shè)置為相對(duì)壓力P=0的壓力出口；固定域與旋轉(zhuǎn)域的交界面設(shè)置成滑移邊界條件用以在界面上傳遞數(shù)據(jù)；湍流模型采用SST-k-ω模型；時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 3 s；網(wǎng)格方案為分區(qū)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量為100萬(wàn)左右；采用ANSYS FLUENT軟件本身提供的UDF宏并結(jié)合水輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)控制水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在某一流速下，水輪機(jī)的輸出功率與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載系數(shù)b即體現(xiàn)了負(fù)載的大小?？紤]到本文主要目的是探究水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流涵道下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及導(dǎo)流涵道的增速效果。因此，只對(duì)負(fù)載系數(shù)b=6 300進(jìn)行分析。在計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)了流場(chǎng)的壓力變化情況及水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、能量利用率等的變化情況。

3　結(jié)果分析

圖3為有水輪機(jī)存在的情況下導(dǎo)流涵道周?chē)膲毫Ψ植荚茍D。從圖中可以看出，有導(dǎo)流涵道存在的情況下，在導(dǎo)流涵道內(nèi)部的前半段及向前延伸的部分區(qū)域內(nèi)，這部分流體的壓力明顯高于涵道上游來(lái)流的壓力，而涵道兩側(cè)流體的壓力小于上游來(lái)流的壓力。因此，當(dāng)上游來(lái)流遇到高壓的涵道區(qū)域后，在壓差的作用下，會(huì)形成一個(gè)向外流動(dòng)的趨勢(shì)，而由于涵道兩側(cè)的壓力較低，會(huì)使這部分外流的流體繞過(guò)涵道，并從其兩側(cè)加速流過(guò)。如圖4所示。

圖3　有導(dǎo)流涵道情況下的壓力云圖

圖4　有導(dǎo)流涵道情況下的流線(xiàn)圖

在圖4中可以明顯觀察到，上游流體在到達(dá)導(dǎo)流涵道之前就已經(jīng)發(fā)生了向兩側(cè)分流的現(xiàn)象，而且越接近涵道首端，分流的情況越明顯。

導(dǎo)流涵道首端8.29 m寬度的迎流截面及喉部5.40 m寬度的迎流截面的自由來(lái)流質(zhì)量流量的理論值分別為16 580 kg/s和10 800 kg/s。而通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)流涵道喉部來(lái)流截面的質(zhì)量流量發(fā)現(xiàn)，流過(guò)喉部的流量為7 000 kg/s左右，該值不僅遠(yuǎn)低于整個(gè)導(dǎo)流涵道迎流橫截面所對(duì)應(yīng)的自由來(lái)流流量，而且還小于喉部截面尺寸下自由來(lái)流的流量。如圖5所示。

圖5　通過(guò)導(dǎo)流涵道喉部截面的質(zhì)量流量

對(duì)輸出功率進(jìn)行時(shí)間平均，求得水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流涵道情況下的能量利用率，如表2所示。

表2　水輪機(jī)的能量利用率

根據(jù)之前分析得出的結(jié)論，導(dǎo)流涵道內(nèi)的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自由來(lái)流時(shí)的流量，流量的降低通常會(huì)導(dǎo)致能量提取效率的降低。然而從表2中可以看出，當(dāng)負(fù)載系數(shù)b取6 300時(shí)，單獨(dú)的水輪機(jī)的能量提取效率可以達(dá)到46%，而當(dāng)加上導(dǎo)流涵道后，效率在原來(lái)的基礎(chǔ)上提升了0.26倍，達(dá)到了58%。這是因?yàn)椋瑢?dǎo)流涵道不僅僅只是通過(guò)提高流量、增加流速來(lái)增大水輪機(jī)的能量提取效率，它還起著整流的作用。在無(wú)導(dǎo)流涵道存在的情況下，水輪機(jī)上游盤(pán)面內(nèi)的流體向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)比較明顯，如圖6（a）所示。而當(dāng)將水輪機(jī)置于導(dǎo)流涵道內(nèi)部時(shí)，由于有導(dǎo)流涵道內(nèi)壁的阻擋作用，使得水流的流向與原來(lái)方向基本保持一致，如圖6（b）所示。此時(shí)，對(duì)于水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)盤(pán)面內(nèi)的截面而言，將有更多的流體通過(guò)。另外，從圖6（c）與圖6（d）對(duì)比可以看出，單獨(dú)水輪機(jī)時(shí)，流線(xiàn)在整個(gè)盤(pán)面內(nèi)比較亂，說(shuō)明此時(shí)有較強(qiáng)的紊流出現(xiàn)；而加上導(dǎo)流涵道之后，流線(xiàn)明顯較之前平順很多，說(shuō)明導(dǎo)流涵道還起到了整流的作用。

圖6　水輪機(jī)周?chē)骶€(xiàn)圖

另外，水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，其轉(zhuǎn)速及作用在葉片上的水力驅(qū)動(dòng)力矩是隨時(shí)間變化，且脈動(dòng)的很厲害。這種脈動(dòng)容易使水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效，是垂直軸水輪機(jī)的主要劣勢(shì)之一。然而，當(dāng)水輪機(jī)在導(dǎo)流涵道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，水力驅(qū)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的幅度明顯減小，如圖7所示。以轉(zhuǎn)速為例，對(duì)于無(wú)導(dǎo)流涵道的水輪機(jī)，其時(shí)間平均后的轉(zhuǎn)速為2.12rad/s，而反映轉(zhuǎn)速脈動(dòng)情況的標(biāo)準(zhǔn)差為0.34；當(dāng)將該水輪機(jī)置于導(dǎo)流涵道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其時(shí)間平均后的轉(zhuǎn)速升為2.40 rad/s，標(biāo)準(zhǔn)差則降為0.13。說(shuō)明導(dǎo)流涵道不僅可以提高水輪機(jī)的水力驅(qū)動(dòng)力矩及轉(zhuǎn)速，還可以有效降低二者的脈動(dòng)幅度，有助于提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖7　導(dǎo)流涵道對(duì)水輪機(jī)的水力驅(qū)動(dòng)力矩及轉(zhuǎn)速的影響

4　結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)三葉片垂直軸潮流能水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流涵道的情況下水動(dòng)力性能及能量利用率進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）水輪機(jī)的存在會(huì)在導(dǎo)流涵道內(nèi)形成阻塞效應(yīng)，使涵道內(nèi)部的壓力升高，造成前方來(lái)流部分繞過(guò)涵道從兩側(cè)流走，降低了通過(guò)導(dǎo)流涵道的流體流量。

（2）流體在流過(guò)單獨(dú)水輪機(jī)盤(pán)面時(shí)，流線(xiàn)向外擴(kuò)張，而導(dǎo)流涵道的內(nèi)壁可以抑制這種趨勢(shì)，使來(lái)流在水輪機(jī)的整個(gè)盤(pán)面內(nèi)保持流向的一致性，增大下游盤(pán)面葉片可利用的流量。同時(shí)，導(dǎo)流涵道的存在還起到整流的作用，避免了水流的整個(gè)水輪機(jī)作用盤(pán)面產(chǎn)生較大的紊流。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)流涵道的存在可使水輪機(jī)能量利用率從47%增大到58%，提高了0.26倍。

（4）導(dǎo)流涵道不僅增大了作用在葉輪上的水力驅(qū)動(dòng)力矩及水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，還有效減輕了二者的脈動(dòng)情況。平均轉(zhuǎn)速由原來(lái)的2.12 rad/s升為2.40 rad/s，漲幅13%；尖速比則由原來(lái)的4.24升至4.80；反映波動(dòng)劇烈程度的標(biāo)準(zhǔn)差也由原來(lái)的0.34降為0.13，極大提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

［1］Batten W MJ，Bahaj A S，Molland A F，et al.Experimentally Validated Numerical Method for the Hydrodynamic Design of Horizontal Axis Tidal Turbines［J］.Ocean Engineering，2007，34（7）：1013-1020.

［2］Akwa J V，Vielmo H A，Petry A P.A Reviewon the Performance of Savonius Wind Turbines［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（5）：3054-3064.

［3］Shiono M，Suzuki K，Kiho S.Output Characteristics of Darrieus Water Turbine with Helical Blades for Tidal Current Generations［C］//Proceedings ofThe Twelfth（2002）International Offshore and Polar EngineeringConference，Kitakyushum，Japan，2002：859-864.

［4］W Lam，Y MDai.Numerical Study ofStraight-Bladed Darrieus-Type Tidal Turbine［C］//Proceedings of the ICE-Energy，2009，162（2）.

［5］In SeongHwang，Yun Han Lee，SeungJoKim.Optimization ofCycloidalWater Turbine and the Performance Improvement byIndividual Blade Control［J］.Applied Energy，2008，86（9）.

［6］Ye Li，Sander M?ali?al.Numerical Analysis ofthe Characteristics ofVertical Axis Tidal Current Turbines［J］.Renewable Energy，2010，Vol.35（2）.

［7］Tuyen QuangLe，Kwang-SooLee，Jin-Soon Park，et al.Flow-Driven Rotor Simulation ofVertical Axis Tidal Turbines A Comparison ofHelical and Straight Blades［J］.International Journal ofNaval Architecture and Ocean Engineering，2014，6（2）：257-268.

［8］Fraenkel P.L.Power fromMarine Currents［C］//Proc Inst MechEng，A：J Power Energy2002：1-14.

［9］張亮，孫科，羅慶杰.潮流水輪機(jī)導(dǎo)流罩的水動(dòng)力設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（7）.

［10］Shujie Wang，ChaoXu，PengYuan.Hydrodynamic Optimization ofChannelingDevice for HydroTurbine Based on Lattice Boltzmann Method［J］.Computers and Mathematics with Applications，2010，61（12）.

［11］Toshiaki Setoguchi，Norimasa Shiomi，Kenji Kaneko.Development of Two-Way Diffuser for Fluid Energy Conversion System［J］.Renewable Energy，2004，29（10）：1757-1771.

［12］F LPonta，P MJacovkis.Marine-Current Power Generation byDiffuser-Augmented FloatingHydro-Turbines.

［13］MAlidadi，V Klaptocz，G W Rawlings.A Duct Optimization Study for a Vertical Axis Hydro-Current Turbine Model［J］.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2012，134（2）.

［14］AR Malipeddi，DChatterjee.Influence ofDuct Geometryon the Performance ofDarrieus Hydroturbine［J］.Renewable Energy，2012，43.

［15］C I Co?oiu，A MGeorgescu，MDegeratu.Device for Passive FlowControl Around Vertical Axis Marine Turbine［J］.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2012，15（6）.

［16］陳兵，王聰，郭偉，等.同軸雙轉(zhuǎn)子H-Darrieus型潮流能水輪機(jī)起動(dòng)扭矩研究［J］.可再生能源，2014（07）.

［17］康海貴，謝宇，陳兵，等.一種新型垂直軸潮流能水輪機(jī)性能的初步研究［J］.可再生能源，2014（09）.

［18］張學(xué)偉.潮流能自由變偏角水輪機(jī)自啟動(dòng)特性分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（5）.

Study on the Hydrodynamic Performance of Ducted Vertical Axis Tidal Turbines

ZHANG Huan，CHENG Shuai-bing，CHEN Bing
School of Ocean Science and Technology，Dalian University of Technology，Panjin 124221，Liaoning Province，China

Although vertical axis tidal turbine holds the advantages of simple structure and being able to work in any direction of flow，it has a lower power coefficient than horizontal axis tidal turbine.In addition，hydrodynamic torque on rotors also shows fluctuation in operation，which has negative effects on the smooth operation and structural safety of the turbine.Considering the drawbacks of vertical axis tidal turbine，this paper presents a feasible duct device，and compares and analyzes the hydrodynamic performances of non-ducted tidal turbine and ducted tidal turbine，respectively.The results show that the duct can smooth the flow in the whole circle of turbine.What is more，a ducted turbine can also capture more power from tides and reduce the fluctuation of hydrodynamic torque on rotors and rotational speed of the turbine，which will benefit the structural safety.

vertical axis tidal turbine；duct；numerical simulation；output power coefficient

P743；TK73

A

1003-2029（2016）04-0097-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.018

2016-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379036）

張歡（1989-），男，碩士研究生，主要從事海洋能源裝備方面研究。E-mail：huanzhang@mail.dlut.edu.cn

陳兵（1970-），男，副教授，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)方面的研究工作。E-mail：chenbing@dlut.edu.cn