系留式海底风筝涡轮机潮流能捕获的数值设计与性能突破研究

这篇综述深入探讨了系留式海底风筝(TUSK)系统作为固定式水轮机替代方案的设计与性能优化。研究通过数值模拟分析了风筝在Viviani曲线轨迹下的飞行动力学（涉及偏航角、滚转角等参数），并创新性地设计了导流罩涡轮机，其功率系数突破贝茨极限(Betz limit, 59.3%)达1.3，单周期平均功率输出达383kW。研究验证了湍流模型与叶片元素动量理论(BEM)的准确性，为低流速水域的可预测可再生能源开发提供了新思路。

　　

Highlight

问题陈述

Ohya等学者在风洞中测试扩散器和喷嘴结构时发现：喷嘴模型会驱散水流，而扩散器结构能汇集并加速入口处水流。本研究创新性地将导流罩涡轮机安装在TUSK机翼下方，评估其在湍流海洋环境中的能量捕获效率。

风筝位置矢量

风筝沿数学上的Viviani曲线（圆柱体与球体的交线）飞行，这种低曲率"8字形"轨迹相比其他路径能最大化发电量。球体中心位于海床系泊点，半径等于系绳长度，圆柱体半径则为系绳长度的1/4。

设计参数

通过将涡轮机封闭在导流罩内可显著提升性能——转子感知的流速增加，而功率与流速立方成正比。Minesto公司公开信息显示其500kW涡轮机直径8米，转速107rpm，本研究据此优化设计参数。

CFD设置

自由流涡轮模拟采用多参考系(MRF)和旋转滑动网格(RS)两种方法。MRF通过固定转子位置求解含科里奥利力的控制方程，成本较低；而RS直接求解非稳态RANS方程，精度更高。本研究选用MRF方法进行仿真。

涡轮性能

在10m/s恒定入口流速下，不同叶尖速比(TSR)测试显示：设计点TSR=1.88时扭矩系数最大，而功率系数随TSR增加至3时达峰值1.3（超越贝茨极限）。这是因为导流罩产生的涡流形成低压区，显著提升能量提取效率。

结论

基于欧拉角计算的表观速度分量，采用k-ω湍流模型在轨迹8个位点评估性能。导流罩涡轮机的低压涡流效应使其突破贝茨极限，而优化的"8字形"轨迹使平均输出功率达383kW，为深海可再生能源开发提供新范式。