桩支撑水平轴潮汐流涡轮机近尾流区域的涡流相互作用

《Applied Surface Science》：Vortex interactions in the near wake of a pile-supported horizontal axis tidal stream turbine

近区流场特性分析表明，水平轴潮汐涡轮（HATST）的立柱、座舱与转子共同作用形成复杂的涡结构相互作用。通过高分辨率PIV实验对比单体桩（MP）、桩加座舱（PN）及完整涡轮（FT）三种配置，发现转子能量提取显著增加速度亏损（达0.4U）并抑制剪切层发展，尤其在0.5D下游区域形成独特的涡对结构。时间平均与相位平均分析揭示了涡结构时空演化规律，Proper Orthogonal Decomposition（POD）进一步识别了主导涡结构（能量占比前四模式达15.6%）及其能量分布特征。研究证实桩体诱导的 Kelvin-Helmholtz 不稳定性对近区流场影响显著，而转子运行通过改变涡量通量分布优化了湍流强度（MP：3.5% vs FT：1.8%）。

　　本研究通过高分辨率粒子图像测速（PIV）技术，对水平轴潮流涡轮机（HATST）的近尾流特性进行了实验分析。研究采用了三种不同的模型配置：单桩（MP）、桩加机舱（PN）以及包含桩、机舱和叶轮的完整涡轮机（FT）。实验在浙江大学海洋学院的循环水槽中进行，该水槽尺寸为25米长、0.6米宽、0.7米深。研究揭示了每种配置下尾流拓扑结构、剪切层发展、速度亏损和湍流特性之间的显著差异。其中，单桩仅产生经典的卡门涡街型尾流，而完整涡轮机则产生额外的相干涡旋，这些涡旋与桩尾流相互作用，特别是在涡轮机后方的区域。叶轮的存在显著加快了尾流的混合和涡旋扩散，导致更明显的速度亏损和复杂的剪切层结构。

在HATST的近尾流区域，湍流特性受到多种涡旋结构的共同影响，包括叶尖涡旋、叶根涡旋、桩基的马蹄涡旋系统以及机舱和桩的涡旋脱落。这些结构之间的相互作用对于设计和优化涡轮机的叶片结构以及确保支撑结构的稳定性至关重要。研究还探讨了涡旋场的时序发展，展示了主导涡旋结构的形成、相互作用和破裂过程。通过使用本征正交分解（POD）分析PIV数据，研究进一步识别了与不同结构组件相关的主导涡旋结构，揭示了叶轮诱导和桩诱导流动的涡旋对尾流湍流动能的贡献。

在实验设置中，研究人员采用了一种基于NACA 63–8XX型叶片的缩比模型，并对模型进行了适当的简化以减少对PIV测量的干扰。实验在恒定的入流速度和水深条件下进行，以确保结果的可比性。所有实验均在入流速度为0.198米/秒、水深为0.25米的条件下进行，其中完整涡轮机的叶尖速比（TSR）为3.37，这一范围在商业HATST中较为常见。通过使用高分辨率PIV系统，研究人员能够捕捉瞬时和时间平均的流动场，从而获得尾流中主导涡旋结构及其演变的详细信息。

在时间平均的流动特性分析中，研究人员发现，不同配置下的尾流表现出不同的速度亏损和湍流强度。例如，单桩的尾流显示出显著的速度亏损，而完整涡轮机的尾流由于叶轮的动能提取，表现出更明显的速度亏损。此外，不同配置下的剪切层发展也有所不同，单桩和桩加机舱的剪切层在下游区域逐渐恢复，而完整涡轮机的剪切层则因叶轮的影响而在下游区域出现更复杂的结构。研究还发现，叶轮的引入显著改变了尾流中的湍流特性，特别是在叶轮下方的区域，湍流强度受到抑制，而叶轮上方则表现出更强烈的剪切层结构。

研究还通过相位平均方法对涡轮机尾流的周期性涡旋结构进行了进一步分析，揭示了叶尖涡旋和叶根涡旋的分布及其对尾流湍流特性的影响。相位平均结果表明，叶尖涡旋在叶轮后方保持较高的相干性，而叶根涡旋则由于其旋转轴与叶轮轴对齐，难以在测量平面中清晰捕捉。通过频谱分析，研究人员进一步验证了不同配置下涡旋脱落的频率特征，发现所有配置下的斯特劳哈尔数（Strouhal number）大致保持一致，约为1.48，表明桩的涡旋脱落频率受到涡轮机结构的影响较小。

在区域特定的POD分析中，研究人员将尾流划分为三个区域：上部叶轮尾流、下部叶轮尾流和桩尾流，并分别分析了不同区域内的主导涡旋结构及其能量分布。研究发现，不同配置下的POD模态能量分布存在差异，其中完整涡轮机的叶轮尾流表现出更高的能量集中，而桩尾流则由于其周期性涡旋脱落表现出较低的频率峰值。此外，研究还指出，POD分析的频谱特征可能受到测量平面的二维限制和模态分解的平滑效应的影响，因此未来研究需要采用三维流场测量方法，以更全面地理解近尾流中的三维流动特性。

总体而言，本研究提供了关于HATST近尾流中涡旋相互作用和湍流结构的有价值的流体力学见解，对流体-结构相互作用、结构稳定性以及阵列优化具有重要意义。研究结果表明，叶轮的引入不仅改变了尾流的速度分布，还显著影响了尾流的湍流特性。此外，支撑结构对尾流的稳定性也有重要影响，特别是在近底部区域。这些发现为未来的HATST设计和优化提供了理论依据和技术支持。