【水平轴潮流能水轮机研究进展的文献综述8300字】

水平轴潮流能水轮机研究进展的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u26080水平轴潮流能水轮机研究进展的文献综述 1227151.1水平轴潮流能水轮机原型实验研究 1326411.2水平轴潮流能水轮机模型实验研究 3205701.3水平轴潮流能水轮机数值计算研究 512161.4水平轴潮流能水轮机流固耦合研究 8203341.5研究现状总结 1025008参考文献 111.1水平轴潮流能水轮机原型实验研究有关潮流能的研究，欧美国家起步较早，在该领域已经取得一定的成绩ADDINNE.Ref.{A89D6F12-AEEB-4820-9ADB-9D4720B6857C}[21]。特别是这二十年来，潮流能的开发利用受到越来越多的关注。高新技术不断涌现，机组大型化、发电功率大幅提高，更多的技术和设计得以应用，大量的实验和示范项目得到发展，部分企业在一定程度上实现了商业化运营。2003年，挪威的HammerfestStrømAS公司宣称世界上第一个将潮流能水轮机并网发电，该水轮机名为HS300，如图1.2（a）ADDINNE.Ref.{7D2C6349-4082-415E-AE8D-935E49072AFE}[22]。2008年，英国的MarineCurrentTurbine（MCT）公司宣称其设计的双转子1.2MW（2×600kW）的“SeaGen”为世界上第一个商业化的潮流能水轮机，如图1.2（b）ADDINNE.Ref.{9B6DB12D-F2C5-4CCE-9F1C-07DE5FEF8B74}[23]。还有其他许多国家的潮流能水轮机在海上实验场进行了现场实测ADDINNE.Ref.{BEEB4539-1CFE-402C-B1F0-AB39E455B710}[24,25]。（a）HS300（b）SeaGen图1.2国外潮流能水轮机Figure1.2Marinecurrentturbinesabroad.(a)HS300.(b)SeaGen.我国对潮流能的研究起步相对较晚，受国外先进潮流能开发利用经验的启发，以及国家能源战略改变的影响，经过不懈努力，在各方面已经取得长足进步。尤其近些年来，发展速度更快，成功实现了百千瓦级潮流能发电设备实验测试，很大程度上缩小了和先进国家之间的差距。浙江大学的5kWADDINNE.Ref.{6EA8BE69-A4D3-46FE-A9E1-B1DBC0C41FD0}[26,27]、25kWADDINNE.Ref.{802AE8CD-4F31-456D-B3DF-4887AFC6F024}[28,29]三叶片样机，东北师范大学的20kW四叶片样机，中国海洋大学的50kW三叶片样机和100kW的“远海号”，哈尔滨工程大学的“海明”ADDINNE.Ref.{EF34AAD9-4932-4260-9E29-BC6ABD55783C}[30]和“海能”系列样机都取得了阶段性成果ADDINNE.Ref.{EC4C5174-359A-4492-9F46-CD88FE79B80E}[14]。2020年，由国家海洋局海洋可再生能源专项资金支持的我国首个具备公共测试和示范功能的公益性开放型国家级潮流能试验场—舟山潮流能发电示范工程完成海上机组吊装，进入调试发电阶段，单机容量为450kW，如图1.3。图1.3普陀潮流能试验平台Figure1.3Putuomarinecurrentenergytestplatform然而，人们对潮流能水轮机的功率输出、叶片荷载和尾流如何受到环境湍流影响的理解有限。对此类装置的全尺度实验或者现场测量难度大，耗费高，需要考虑的工作环境影响因素繁多，可靠数据的需求范围不易满足。1.2水平轴潮流能水轮机模型实验研究模型实验是潮流能研究领域另一重要手段，可以控制主要实验参数而不受环境条件的限制与影响，便于改变实验参数进行对比。与现场原型实验对比，模型实验具有良好的经济性。图1.4为潮流能水轮机模型在空化通道内进行实验。图1.4潮流能水轮机模型在空化通道内实验Figure1.4ModelexperimentofmarinecurrentturbineinthecavitationchannelCoiro等人ADDINNE.Ref.{6AD709C5-8CFA-4B4D-BAD9-A0019463EA2D}[31]将潮流能水轮机放入拖曳水池中进行实验，在不同拖曳速度下获得了一系列叶尖速比（TipSpeedRatio，简称TSR）和叶片俯仰角下的潮流能水轮机功率和推力。Bahaj等人ADDINNE.Ref.{209A4718-B42B-413F-9E7D-A98AAF76041A}[32]研究了拖曳水池和空化通道内（见图1.4）的流速、转速和桨距角对潮流能水轮机性能的影响，同时还讨论了浸没深度、偏航角和双叶轮干涉的次级效应以及容易产生空化的区域。Myers等人ADDINNE.Ref.{4D01D7C4-4201-49F9-96D0-67FEBE74A617}[33]在循环水槽中测试潮流能水轮机，由于阻塞效应，随着流速的增加，液面高度和湍流也在增加。此外，Myers和BahajADDINNE.Ref.{D6F2027A-6228-4B82-A92F-1DFCEBE7343A}[34]利用激光和声学多普勒测速仪在潮流能水轮机处于工作和停止状态时进行尾迹测绘，量化了该水轮机及支撑结构对近尾流特性的影响。Maganga等人ADDINNE.Ref.{295EF687-627D-464E-8517-87274D1AB08D}[35]介绍了潮流能水轮机在循环水槽中的水动力特性实验，为了研究尾流在下游的衰减情况，并估计下游潮流能水轮机受到的影响，展示了湍流强度对该水轮机性能和尾流的影响。Song等人ADDINNE.Ref.{A2D722B2-D718-4120-A470-C3B07C73AA3B}[36]设计了三个不同叶尖形状的潮流能水轮机，进行拖曳水池实验后，发现采用斜削式翼尖小翼可以降低叶尖涡的强度，改善叶片空化现象，从而提升该水轮机的获能效率。Chamorro等人ADDINNE.Ref.{3E33834B-9D0D-4D3E-A8AA-A2BE85670A17}[37]利用容积式三分量测速仪测量水池中潮流能水轮机下游不同容积下的三维速度场，观察到近尾流区的尾迹膨胀与流向距离的三分之一次方成正比。Luznik等人ADDINNE.Ref.{99B9FFAB-654A-4669-A926-A6ED336ACB9E}[38]和Gaurier等人ADDINNE.Ref.{42D426EF-7377-4DAA-9390-6872034EF7C7}[39]测量了无波浪和有波浪情况下的潮流能水轮机性能，有波浪情况下该水轮机的平均功率和推力与无波浪情况相似，但存在显著的周期性波动，波浪和水流相互作用可以引起更大的附加荷载幅值，从而产生不利影响，这在疲劳分析中需要加以考虑。Bahaj等人ADDINNE.Ref.{A1349447-1FC1-4086-B975-E379409D89D8}[40]在循环水槽中的研究发现，潮流能水轮机和桅杆的存在造成近尾流场的高度湍流，致动盘的下游远尾流场表现与潮流能水轮机的下游远尾流场相吻合，这有利于复杂阵列几何结构的复制，降低了实验规模和成本。Mycek等人ADDINNE.Ref.{AA8BB2D1-EE80-4BAE-B733-DF87C6EF3C42}[41,42]和Blackmore等人ADDINNE.Ref.{E7670675-5E61-4F6F-97E1-BB06D8FEA685}[43]利用循环水槽研究单个和两个潮流能水轮机受上游湍流强度的影响，结果表明，随着湍流强度的增加，潮流能水轮机性能波动会变得激烈，这会对其疲劳产生重大影响，从而影响其制造成本。Kolekar等人ADDINNE.Ref.{6B9F0E9A-6F3D-4E41-9DAF-FCAC29E1553E}[44]在水槽中研究了阻塞效应、雷诺数和边界距离对潮流能水轮机的性能影响。Jeffcoate等人ADDINNE.Ref.{653A0BD5-8FA1-4F4F-AC7A-F10A8479C952}[45]利用拖曳轨道在湖水中测试两个直径1.5m的潮流能水轮机，研究这种水轮机的布置形式对性能的影响。Morandi等人ADDINNE.Ref.{7A3C6D36-08E5-421D-9C3D-DE2C98C18D23}[46]利用相位平均法将潮流能水轮机整体性能与水流动能转换为机械功以及尾迹中其他能量建立联系。deJesusHenriques等人ADDINNE.Ref.{4F19896B-B83F-4AEF-89CD-2D3EA6A244A5}[47]研究了桨距角对波流作用下潮流能水轮机性能的影响。其测量结果表明，随着叶片桨距角的增大，该水轮机的平均功率和推力均减少，功率和推力的波动幅值也减小。Rahimian等人ADDINNE.Ref.{A1F1FAD4-8006-4FC0-8D39-F2E60AA6D0F6}[48]在循环水槽和拖曳水池中测试直径0.5m和0.8m的潮流能水轮机，研究设施和模型尺度的差异对性能的影响。其实验结果表明，在低雷诺数的影响下，这种水轮机尺寸越小，转换效率越低。Payne等人ADDINNE.Ref.{DAA40311-17EE-4F6B-B24B-BF908E02ADF4}[49]研究了叶片方位对潮流能水轮机推力和扭矩的影响，明确了桅杆遮蔽效应。Ordonez-Sanchez等人ADDINNE.Ref.{803963B2-47DB-48AF-BC68-F735202A35ED}[50]在有波浪的水池实验中发现，恒定扭矩情况下的潮流能水轮机功率和推力波动比恒定转速情况下更大，而平均功率和推力不受控制策略的影响，也不受规则波浪和不规则波浪的影响。Zhang等人ADDINNE.Ref.{9A1807DC-3FAE-482B-AA7D-FA98C284BABB}[51]从流速、湍流强度等方面研究了波浪对潮流能水轮机尾流场的影响。可以看到，大多数模型实验重点关注潮流能水轮机的水力性能及其尾流特征，缺乏叶片结构性能测量数据，原因在于缺乏合适的测量仪器，或者仪器粘附于模型叶片会对其翼型产生影响。1.3水平轴潮流能水轮机数值计算研究除了模型实验，越来越多的科研工作者对开发能够模拟潮流能水轮机的数值方法产生兴趣。这些方法和模型实验、现场实验相辅相成。因为它们不受模型尺寸的限制，可以提供重点区域更详细的水动力细节，并准确预测潮流能水轮机的性能，减少耗费，实现设计优化。最早使用的方法是忽略潮流能水轮机形状的致动盘（ActuatorDisc，简称AD）理论ADDINNE.Ref.{83FEA55E-0C0B-4202-9EE4-A5AC01DBA74A}[52-60]、致动线（ActuatorLine，简称AL）理论ADDINNE.Ref.{CA9D5E17-320E-4CDE-8227-18DB1BB33BA8}[61-64]和忽略翼展方向流动的叶素动量（BladeElementMomentum，简称BEM）理论ADDINNE.Ref.{6FE6F29F-8886-42E6-A004-63A90E3CA670}[65-70]。这些简化大大降低了计算成本，在初步设计和阵列研究阶段非常有用。AD和AL方法可以有效预测远离潮流能水轮机的尾迹场，BEM方法可以提供可靠的性能预测结果。然而，潮流能水轮机周围的流场结构，例如层流到湍流过度、下游湍流的生成、叶片表面流动分离和压力荷载无法得到详细描述，因此不能依赖它们进行完整的潮流能水轮机性能分析。潮流能水轮机周围复杂而强烈的流动是由流体和固体相互作用引起的，包括涡旋的产生、动力失速或水动力荷载的不稳定性。随着应用于潮流能水轮机研究领域的计算流体力学方法快速发展，部分研究人员基于拉格朗日方法，用边界元法（BoundaryElementMethod）或面元法（PanelMethod）离散潮流能水轮机表面流动，用涡粒法（VortexMethod）离散尾流ADDINNE.Ref.{B3261767-BA10-40D1-87FA-9AB565963003}[71]，这些方法仅适用于初始设计阶段，忽略了旋转和粘性流动的影响，例如尾流翻滚、分离、过渡和失速，在评估非设计条件下的性能时，势流的各种假设不再有效。通过三维网格单元表示潮流能水轮机的几何和运动以及附近流域，可以避免这些不足，但计算成本相对更高。受旋转、曲率、运行环境等影响，潮流能水轮机三维计算不可避免地要涉及到湍流数值模拟。目前，湍流数值模拟方法分为直接数值模拟（DirectNumericalSimulation,简称DNS）方法和非直接数值模拟方法。前者直接求解瞬时湍流方程，理论上可以计算所有湍流问题，但所需网格和时间步长的细微程度对计算机内存空间和计算速度要求非常高，难以用于真正意义上的工程计算。后者对湍流作某种程度的近似和简化处理，分为统计平均法、雷诺时均法和尺度解析模拟。统计平均法基于相关函数的统计理论及谱分析研究湍流结构，在工程中应用很少。雷诺时均法（ReynoldsAveragedNavier–Stokes，简称RANS）是将湍流方程中的瞬时变量作时均化处理，也就是将瞬时变量分解为时均分量和脉动分量，其中时均分量通过某种假定模型体现于时均化的方程。这样只需要求解雷诺时均方程，避免了计算量大的问题，是目前使用最广泛的湍流数值模拟方法ADDINNE.Ref.{94B3E162-01A8-4042-AA3A-A414A6DE6C8D}[72]。尺度解析模拟（ScaleResolvingSimulation，简称SRS）放弃对全尺度湍流结构进行解析，只针对部分流域解析部分湍流。最广为人知的SRS模型是大涡模拟（Large-eddySimulation，简称LES），直接计算大尺度湍流结构，对小尺度湍流结构建立假定模型来处理ADDINNE.Ref.{EB3FC69D-76F1-4FC6-BAAD-FF0272036BC5}[73,74]，尽管对计算资源要求仍然比较高，但工作站和高性能计算集群（High-PerformanceComputingCluster，简称HPCC）可以让大涡模拟工作进行开展ADDINNE.Ref.{A17EA611-3F41-40A1-A784-0AC94CBF6BE9}[75]。Bir等人ADDINNE.Ref.{594F7922-52AA-4112-93D1-73D1D740063F}[76]介绍了水平轴潮流能水轮机复合叶片的结构初步设计结果，基于CFD软件应用SSTk−ω模型计算极端工况下该水轮机受到的水力荷载验证其可靠性。Lee等人ADDINNE.Ref.{7AAF25F3-7070-4284-A188-96E03620A66D}[77]先后应用BEM理论和三维全几何CFD模拟预测潮流能水轮机性能，并建议叶片尖端采用斜削式翼尖小翼延缓空化的产生。Guo等人ADDINNE.Ref.{7D7CE158-BA43-4A88-982E-E2D702CD6B23}[78]利用CFD软件结合了BEM理论和RANS方程，分析潮流能水轮机性能和流场特性，与全几何CFD模拟和实验数据相比，能够准确预测推力，但对功率预测偏高。王晓航ADDINNE.Ref.{D3E3B34F-F788-474F-A08C-DF7B835C2737}[79]应用SSTk−ω模型对潮流能水轮机进行模拟，验证BEM方法在预测该水轮机性能和荷载的可行性，并且辅助模型实验和原型实验，研究叶片表面发生空化时对性能的影响。吴百公ADDINNE.Ref.{B1F6EB72-407E-4F52-A849-B42A54511790}[80]在拖动实验基础上，应用k−ε模型对潮流能水轮机进行仿真，研究叶片压力分布和附近流场，指出可能出现空化的部位。王树齐ADDINNE.Ref.{CA860C39-1C40-4C4E-9745-4342456CA376}[81]应用SSTk−ω模型计算自由液面及波浪环境下的潮流能水轮机水动力性能，与实验结果吻合。其研究表明，达到一定的淹没深度后，自由液面和波浪的影响变得微弱，摇荡运动对潮流能水轮机流场及荷载产生了影响。Liu等人ADDINNE.Ref.{0644CB69-6FF4-4BB9-A97D-7E9F3E18063C}[82]分别应用BEM理论和三维全几何CFD模拟研究叶片扭转和机舱形状对潮流能水轮机性能的影响。Rahimian等人ADDINNE.Ref.{CB87D9AD-2221-4D82-A3C8-C75DFC601055}[83]研究了不同RANS模型和边界层处理方法对潮流能水轮机性能的影响。Ren等人ADDINNE.Ref.{0B6F2647-0ECD-4C4F-869B-AA2FF5FCE556}[84]应用SSTk−ω模型对文献[36]中的水轮机进行数值模拟，研究发现，带小翼的翼型可以在叶尖附近的翼展段产生较大的扭矩，小翼通过减小叶尖涡的强度，提高了能量转换效率。Zhang等人ADDINNE.Ref.{9E937888-1E03-41E5-B6B1-5F12213F1F60}[85]应用SSTk−ω模型配合水槽实验研究了潮流能水轮机淹没深度对尾流场恢复情况的影响。由于RANS模型的局限性，其模拟结果与实验测量结果在近尾流场出现了偏差，但远尾流场的吻合性好。Su等人ADDINNE.Ref.{64940147-FA9C-4196-BDB2-6E1D24D5A2E2}[86]应用k−ε模型配合拖曳水槽研究潮流能水轮机性能，得到的尾流场速度和压力分布比叶素理论中定常和二维假设更为复杂。Abuan等人ADDINNE.Ref.{934225A1-BA5B-4FEC-8260-0C5A3232C653}[87]应用SSTk−ω模型研究理想的非定常流速对潮流能水轮机性能的影响。其研究表明，随着非定常流速的振幅或频率的增加，能量转换效率降低，频率的影响比振幅小，尤其在高频情况下。Yahagi等人ADDINNE.Ref.{A65F9C40-E261-4ADA-991B-641CA7FB6871}[88]应用SSTk−ω模型预测了剪切流引起的潮流能水轮机叶片力矩荷载的周期性变化，与水槽实验结果基本吻合，但在低叶尖速比时，误差较大，分析认为这是流动分离造成的。荆丰梅等人ADDINNE.Ref.{76C8B337-367C-4677-B627-E8547088F66E}[89]同样应用RANS模型模拟了剪切流下二叶片潮流能水轮机水动力荷载的影响，除了弯矩系数的波动频率和该水轮机旋转频率一致以外，功率系数、轴向和侧向力系数的波动频率均为转频的2倍。Lin等人ADDINNE.Ref.{7090C3CA-CB6D-48C8-BF57-E01ACB2765A7}[90]应用AL方法模拟潮流能水轮机得到的尾流场数据与实验结果吻合，准确地预测了流场的速度分布，与全几何CFD模拟相比，稍微低估了湍流强度、周向速度和涡量大小。可以看出，许多研究人员应用了RANS模型中的SSTk−ω模型对潮流能水轮机进行计算。但RANS存在一个固有缺点，它将所有湍流尺度进行平均，提供的是一个时间平均场，丧失了湍流脉动信息。相比之下，以更加精细的网格和更高的计算需求为代价，LES提供了时间相关场，可以直接求解速度场中出现的大规模流动结构，更加精确地预测瞬时湍流运动对潮流能水轮机性能及尾流场的影响ADDINNE.Ref.{B2622103-2A09-4CC6-849D-7291CBEC14E3}[91]。随着科技的进步与发展，计算成本逐年降低，越来越丰富的计算资源使得LES的应用越来越广泛ADDINNE.Ref.{2B3C6F84-DEA8-479A-A447-3A07BE2D48C1}[92,93]。Kang等人ADDINNE.Ref.{67D7F287-6F52-4A11-8C33-E61C4B894AFA}[94,95]应用了曲线浸没边界结合LES方法对单个潮流能水轮机和整机全尺度模拟，研究其叶尖涡和尾流场，与AL和AD方法进行对比，验证该水轮机几何模型在尾流动力学分析中的重要性。McNaughton等人ADDINNE.Ref.{DE16FA90-397E-4BAD-9DDD-B6CE3CE64F41}[96-98]对比了标准k−ε模型、SSTk−ω模型、雷诺应力输运模型和LES模型用于模拟潮流能水轮机，发现应用标准k−ε模型预测得到的功率系数和推力系数明显偏低，而LES更能精确地反映流场和叶尖涡，预测得到结果与实验数据最为吻合，同时验证了滑移网格交界面方法在结构化和非结构化网格计算中的可靠性。Bai等人ADDINNE.Ref.{C37013C1-2F1E-4C08-96CA-460E68F28E48}[99]提出了两种模拟自由液面的方法，应用浸没边界结合LES方法模拟自由液面下的潮流能水轮机验证了两种方法可行。Yan等人ADDINNE.Ref.{69B73969-BD36-4ACD-A2AC-4EE83647DD87}[100]同样开发了一种新的水平集重排代码用于大涡模拟在自由液面下的潮流能水轮机，并且为了说明新代码的通用性，计算了波浪作用时不同深度下的工况。Chawdhary等人ADDINNE.Ref.{E310F3AB-D5E1-47C6-9E15-5B56A087FEA1}[101]应用了曲线浸没边界结合LES方法研究三个潮流能水轮机尾流相互作用。Ahmed等人ADDINNE.Ref.{C255B6FE-C970-4E18-B804-AACE4D7AB161}[102]应用SSTk−ω模型和LES模型全尺度模拟了直径18.3m的潮流能水轮机。其结果表明，SSTk−ω模型足以预测平均荷载，而LES可以精确模拟该水轮机的波动荷载。Ouro等人ADDINNE.Ref.{F541D61B-C86B-446E-B84C-6703F896F8DA}[103,104]应用浸没边界结合LES方法对潮流能水轮机进行水动力学及荷载研究，展示了水平轴水轮机典型流动结构，定量分析了实际环境湍流对该水轮机性能、流体力学和转子荷载的影响。综上可见，现有的研究大多是在不考虑结构响应的情况下，假定潮流能水轮机为刚体，对其性能和流场进行研究。1.4水平轴潮流能水轮机流固耦合研究潮流能水轮机需要经受恶劣的海洋环境许多年，再加上潮流能发电阵列通常布置在海里偏远的高流速区域，离岸维护价格昂贵，所需更换部件以及专业知识无法随时取用ADDINNE.Ref.{6850D3FE-AA4F-40E0-9073-BBFCF5E21966}[19]。随着全寿命性能设计越来越普遍，为了降低维护频率、成本和风险，研究人员逐渐开始关注固体结构性能。然而工作状态中的潮流能水轮机受到的荷载以表面流体压力为主，难以单独对其结构性能进行评价，因此流固耦合分析技术逐渐被应用到潮流能研究领域。Jo等人ADDINNE.Ref.{95F11758-E23C-4EAB-B372-67269E1DD0A2}[105]采用单向流固耦合方法研究了潮流能水轮机及桅杆的结构稳定性，包括应力、变形和安全系数。Kolekar等人ADDINNE.Ref.{C0319549-FF44-430D-B39D-861407F5AF42}[106]研究表明，将潮流能水轮机三维CFD结果传递到有限元软件获得的叶片应力值明显区别于BEM方法获得的值。这是由于后者不仅无法预测推力和扭矩沿翼展方向的分布，也忽略了叶片根部的影响。Singh等人ADDINNE.Ref.{D0C6CC01-E635-4525-9286-E14BBD68EF67}[107]对两种常用水翼深入研究后，设计出一种新型水翼，应用于潮流能水轮机，将稳态流场计算得到的叶片表面压力传递到结构分析程序中，计算出叶片的应力、应变和变形，验证叶片的安全性，并且基于单向流固耦合方法比较了三种水翼的性能、效率、空化的产生和结构的可行性。吴帅桥ADDINNE.Ref.{AE9CA8E5-1F4D-4D57-BD14-AB2594FF4D46}[108]和韩雪等人ADDINNE.Ref.{6516BB93-749F-46AF-8404-801F79D809E2}[109]采用单向流固耦合方法得到叶片变形和应力应变情况。随着流速的增加，叶片的变形和应力均增大。许多学者基于数值计算研究潮流能水轮机在水中工作时，假设其作为刚体在流体域中旋转，从而简化设计和分析过程。实际上，潮流能水轮机叶片受到流体压力的作用会产生变形，同时叶片的变形会对流体流动产生影响。绕轴旋转的潮流能水轮机和不断通过其叶片的流体相互作用，构成一个整体。由于流场的不稳定和交变荷载的诱导，潮流能水轮机面临着疲劳失效的可能性。因此，考虑结构与流场之间的相互作用，有助于了解潮流能水轮机的性能和结构响应的细节。Young等人ADDINNE.Ref.{8FF3DD14-2354-4D8B-A253-C9ADACF4A4A0}[110]开发并验证了耦合边界元法与有限元法模拟潮流能水轮机，结果表明，当叶片在高负荷条件下靠近自由液面时，叶尖附近会出现瞬时空化，并且由于较高的流体荷载和细长的轮廓，叶片将发生过度变形。另外，与在空气中工作相比，由于附加质量效应，在水中工作时叶片的固有频率显著降低。Park等人ADDINNE.Ref.{174CE4E7-801C-4453-9EA4-9A5D15CE4A83}[111,112]采用双向流固耦合分析方法对具有柔性复合叶片的潮流能水轮机进行了性能评估，并与具有刚性叶片的这种水轮机进行了比较。其研究发现叶片压力分布变化引起功率降低，以及叶尖涡随着变形而减小，同时讨论了偏航入流对这种水轮机性能的影响。Nicholls-Lee等人ADDINNE.Ref.{CC4F3C90-007C-4204-A499-300BEE9BC174}[113]基于边界元方法结合有限元分析软件研究非均匀复合材料制成的被动自适应弯扭叶片在潮流能水轮机上的应用，提高获能效率，降低推力荷载。Motley等人ADDINNE.Ref.{BEDF53D3-F968-4D86-886B-6BC00FBE63FA}[114]同样应用了边界元方法结合有限元分析软件研究潮流能水轮机在瞬时或长期荷载下的被动变桨自适应能力。田美灵等人ADDINNE.Ref.{A08D4956-DDFE-4CD6-B147-9ECE698DFF6C}[115]对设计工况下的潮流能水轮机水动力性能和结构性能进行稳态分析，结果表明，双向流固耦合模拟得到的结果比单向更接近实际工况。房良等人ADDINNE.Ref.{7212E9E2-2FD1-4C06-8F64-BF265E855979}[116,117]采用了单向和双向流固耦合方法结合多相流模型研究潮流能水轮机的水动力性能和结构性能，设计并优化了一种具有弯扭耦合效应的自适应复合材料叶片。Tatum等人ADDINNE.Ref.{6EFD4B68-3114-4824-AF50-C7EF2E2A6BDC}[118]研究波浪对潮流能水轮机特性的影响时，由于叶片材料设定为结构钢，材料弹性模量大，变形小，导致双向流固耦合模型得到的结果与纯CFD结果没有显著差异。Morris等人ADDINNE.Ref.{7940F726-7D82-46EB-9C14-8A7E9B4301AD}[119,120]基于双向流固耦合方法，通过改变叶片材料模量和叶片数量，研究潮流能水轮机的坚固性对其荷载、涡流特性、尾迹长度以及叶片变形的影响。Murray等人ADDINNE.Ref.{CB01311D-FB69-4B58-8B7E-8BB857A0918E}[121,122]利用拖曳水槽研究由非均匀复合材料制成的被动自适应弯扭叶片，降低潮流能水轮机的结构荷载，并用BEM方法结合有限元软件模拟进行对比，当叶尖速比大于2.5时，误差在8%以内，但由于其计算效率高，适合早期设计阶段。Arnold等人ADDINNE.Ref.{64DF98BD-0E04-485B-B6BA-3943B83F43CE}[123]基于CFD与多体系统耦合模拟方法，研究结构柔度对潮流能水轮机水弹性特性的影响。陈正寿等人ADDINNE.Ref.{C17EF4BF-A1BB-4A3C-8780-EDE4CB027E55}[124]采用单、双向流固耦合方法研究潮流能水轮机压力脉动特性，结果显示，双向比单向得到的叶片最大变形量和应力值略大。孙健ADDINNE.Ref.{6BD2B9AC-0626-4DDE-B1C3-A0FEF4997249}[125]设计了三种不同内部结构形式的潮流能水轮机叶片，先采用了单向流固耦合方法选出双工字梁钢骨式–复合材料蒙皮叶片为最佳结构，再用双向流固耦合方法验证其水动力、结构性能满足设计要求。Badshah等人ADDINNE.Ref.{BFFA6F7D-1157-4696-879D-0CFB969DECDF}[126]采用了单向和双向流固耦合方法对均匀来流情况下潮流能水轮机性能评估和结构荷载表征。由于该水轮机材料设定为结构钢，最大叶片位移仅为其半径的1/2000，变形幅度小。然后采用单向流固耦合方法研究流速分布对该水轮机性能和结构的影响。Badshah等人ADDINNE.Ref.{4889EBE8-5BBC-4C44-9512-E80602A734B3}[127]进一步采用了双向流固耦合方法定量分析了基于1/7幂律来流速度分布对大型潮流能水轮机负荷变化的影响。Pernod等人ADDINNE.Ref.{A9BCB8BA-6A78-4C5A-99C8-10C9050F9B14}[128]使用了先进的应变测量技术，将一个完全分布的光纤传感器嵌入在复合材料制作的叶片中，研究单个固定叶片的流固耦合相互作用和水弹性响应，并且进行了单、双向流固耦合数值模拟。其研究表明，当叶片变形增加时，意味着更大的弯曲–扭转耦合效应。因此，单向耦合计算结果与实验测量数据之间的差异随着来流攻角的增加而增加。1.5研究现状总结目前，潮流能水轮机原型实验和模型实验测量通常只包括水动力性能参数和尾流场分布，工作状态时结构变形以及振动的数据很少。为了弥补实验方法的局限性，数值模拟成为了研究潮流能水轮机流固耦合特性的重要手段。受到计算资源的限制，针对水平轴潮流能水轮机的流固耦合研究大多数应用了雷诺时均方法，甚至基于势流理论的边界元方法，结合有限元法进行计算。因此，这些研究还仅仅停留在潮流能水轮机于流场作用下的变形分析，鲜有对叶片受周围湍流作用而振动以及叶片振动反作用于流场的研究。这是由于能够求解瞬时流场信息的方法消耗资源大，再加上流固耦合数值计算本身成本就很高昂，导致叶片与湍流之间的瞬时流固耦合作用研究难度大。如今，针对流固耦合方法的研究不断发展，然而不少潮流能水轮机流固耦合计算是基于商业化软件或其他类似“黑盒”的程序连接流场和固场求解器，采用的是一些陈旧的流固耦合方法，无法对其进行优化以进一步提升计算效率。参考文献[1]迪米特里·德·波尔,伯纳德·麦克内利斯.中国和韩国开展潮汐能研究[J].资源与人居环境.2012(12):48.[2]BahajAS.Newresearchintidalcurrentenergy[J].PhilosophicalTransactions.SeriesA,Mathematical,Physical,andEngineeringSciences.2013,371(1985):20120501.[3]白杨,杜敏,周庆伟,等.潮流能发电装置现状分析[J].海洋开发与管理.2016,33(03):57-63.[4]张宪平.海洋潮汐能发电技术[J].电气时代.2011(10):30-32.[5]应有.海流能发电装置电液控制系统研究[D].浙江大学,2008.[6]张萧.海流能发电及模拟装置的研制[D].东北师范大学,2009.[7]王树杰.柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究[D].中国海洋大学,2009.[8]WangJ,MüllerN.PerformancepredictionofarrayarrangementonductedCompositeMaterialMarineCurrentTurbines(CMMCTs)[J].OceanEngineering.2012,41:21-26.[9]赵智博.双转子水轮机的流固耦合振动分析[D].哈尔滨工程大学,2012.[10]孙飞.涡激振动潮流能转换装置获能原理研究[D].中国海洋大学,2013.[11]王军雷.基于流机电多物理场耦合下涡激振动能量收集模型及特性[D].重庆大学,2014.[12]李霆,陈兵.垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析[J].海洋技术学报.2017,36(05):112-119.[13]LiG,ChenQ,GuH.Studyofhydrodynamicinterferenceofvertical-axistidalturbinearray[J].Water.2018,10(9):1228.[14]张亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展.2013,1(01):53-68.[15]LiW,ZhouH,LiuH,e