潮流能是一種清潔可再生的海洋能資源，由于其具有較強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性，所以在海洋能開(kāi)發(fā)過(guò)程中受到廣泛的關(guān)注。利用水輪機(jī)獲取潮流能過(guò)程中，引起了局部海域的水動(dòng)力特性變化，尤其是水輪機(jī)下游出現(xiàn)水流速度減小，紊動(dòng)強(qiáng)度增加，即產(chǎn)生尾流區(qū)。將會(huì)進(jìn)一步影響其它水輪機(jī)的獲能性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，研究水輪機(jī)下游尾流結(jié)構(gòu)特征和衰減過(guò)程是優(yōu)化水輪機(jī)機(jī)組獲能性能的前提。

由于近岸和河口區(qū)域的水深有限，加之水流速度在垂向上非均勻分布，所以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑與水深比是影響尾流衰減的一個(gè)關(guān)鍵因素。陳婭玲副教授及合作者在清華大學(xué)水沙科學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展一系列的水槽實(shí)驗(yàn)，研究葉輪直徑與水深比(D/H)對(duì)潮流能水輪機(jī)獲能特性和水動(dòng)力特征的影響，包括葉輪的推力系數(shù)、三維尾流結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾切應(yīng)力。

研究結(jié)果

研究結(jié)果顯示，D/H對(duì)潮流水輪機(jī)的獲能性能影響有限，但是較大的D/H引起水輪機(jī)獲能的不穩(wěn)定。不同的D/H產(chǎn)生的尾流結(jié)構(gòu)相似，而尾流核心區(qū)的速度虧損隨著D/H增加而增大，并且尾流邊界層更加紊亂，在尾流衰減過(guò)程中進(jìn)一步擴(kuò)散(圖1)。較強(qiáng)的紊動(dòng)產(chǎn)生在剪切層中，垂向上紊動(dòng)耗散速度并不均勻。對(duì)于較小的D/H，紊動(dòng)耗散自上而下逐漸加強(qiáng);對(duì)于較大D/H，紊動(dòng)耗散初期先向兩側(cè)擴(kuò)展，再沿垂向由下而上逐漸耗散(圖2)。不同的D/H，剪切層中的雷諾切應(yīng)力分布特征相近。較小的D/H，切應(yīng)力在尾流近區(qū)單調(diào)遞減;而較大的D/H，切應(yīng)力在下游3倍轉(zhuǎn)輪直徑的距離內(nèi)增加，然后開(kāi)始衰減。也就是說(shuō)隨著D/H增加，下游尾流主要的混摻區(qū)向下游推移(圖3)。