潮汐能量是指潮汐流的动能[1],[2]，主要来源于月球、太阳和其他天体的引力作用导致的海水周期性升降[3],[4]。作为一种可再生能源，潮汐能量因其环保性、可预测性和丰富的资源储备[5],[6]而被视为化石燃料发电的有希望的替代方案。作为潮汐能发电的关键转换装置之一[7],[8]，潮流水流涡轮机（TST）主要分为两种类型：水平轴型和垂直轴型[9],[10]。其中，水平轴型TST因具有较高的能量转换效率、较强的运行稳定性和出色的自启动性能[11],[12]而在工程应用中占据主导地位。
然而，在流速较低的深海环境中，它们的性能会急剧下降，因为进入的流体往往无法提供足够的扭矩来启动旋转并维持高效发电。此外，湍流涡旋的随机脱落会显著降低能量捕获效率，使得低流速运行成为深海潮汐能系统实际开发中的主要技术瓶颈[13],[14]。
在这种背景下，将导管作为流体动力增强装置的应用已成为在弱流条件下提高涡轮机性能的有效策略。通过结合收缩段、直管段和扩散段的组合设计，导管能够在流道内诱导局部流速加速，从而集中并增加通过涡轮机的流速。这种导管配置已被证明可以提升TST的功率输出和运行稳定性，克服了开放式涡轮机在低流速环境中的部分限制[15]。
近年来，导管几何形状的优化受到了广泛关注，全球研究人员通过实验和数值模拟方法取得了显著进展。在实验研究中，探索了多种导管配置以提升涡轮机性能。Wang[16]和Cresswell等人[17]证明，收缩-扩散导管可以有效提高功率输出并改变最佳叶片尖端速度比，同时即使在偏航条件下也能保持高效率。Maduka等人[18]进一步研究了串联涡轮机布置，并报告称法兰型导管使单个涡轮机的功率提高了约40%，但在双涡轮机运行时由于尾流干扰，效率提升效果显著降低。这些发现证实了导管设计的性能优势，但对流速加速机制的深入了解仍然有限。
在数值研究中，采用了多种优化技术（包括正交实验设计、模拟退火和响应面方法）来改进导管几何形状和流体动力性能。Deng等人[19]确定了扩散段长度和扩张角是控制加速的关键因素，而Rezek等人[20]发现保持适当的叶片尖端间隙可以提高整体效率。Mei等人[21]提出了一种混合优化策略，在实现高功率输出的同时降低了计算成本。尽管取得了这些进展，但以往的研究主要集中在几何优化或性能比较上，而导管与涡轮机之间的耦合机制（特别是在低流速条件下）尚未得到充分量化。
为了解决这些问题，本研究开发了一种专为深海低流速环境设计的短管式水平轴TST。建立了一个格子玻尔兹曼方法-大涡模拟（LBM-LES）框架，用于研究导管的加速特性和涡轮机-导管之间的相互作用机制[22]。采用正交实验设计来确定主导几何参数，并定量确定它们对流速加速的影响权重。然后将优化后的导管配置应用于三维TST模型，分析不同流入流速（0.10–0.46 m/s）下的性能变化和尾流演变。
这项工作不仅建立了一个经过验证的高保真数值框架用于导管式TST分析，还阐明了驱动流速加速的“外部阻力-内部吸力”耦合机制。研究结果为提高低流速海洋环境中的潮汐能量捕获效率提供了理论基础和工程指导。
技术路线图如图1所示。本文的结构如下：第2节介绍了实验的相关信息，并描述了LBM-LES耦合求解器的开发过程。还使用实验数据验证了数值模型，并详细解释了导管的几何参数系统和正交实验策略。第3节进行了导管的二维数值模拟，并使用范围分析和方差分析来检验参数敏感性。第4节展示了导管的二维数值模拟结果和导管式TST的三维数值模拟结果，定量评估了导管对TST功率输出和流场演变的影响。最后，第5节总结了本文的主要结论。
