关于多叶片涡轮机配置能量采集性能的数值研究

《One Ecosystem》：Numerical study on energy harvesting performance of multi-flapping-foil turbine configurations

　　郑敏|侯国祥|徐顺
华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉，430074，中国

**摘要**
本研究对多叶片布局配置进行了全面的数值研究，用于拍动叶片能量收集。本文提出了三种基本布局和四种可扩展的多排簇配置，并系统地比较了它们的能量收集性能。研究了俯仰幅度、减频和叶片间距对能量收集性能的影响，以阐明配置层面的交互作用机制。由串联布局衍生出的四边形配置由于负面的并行交互作用而表现出显著的效率降低，表明简单的串联概念缩放不足以优化簇布局。在三角排列中，下游指向配置使所有叶片的能量收集性能与独立叶片相当，从而最大化了整体系统效率。相比之下，上游指向配置由于入射动能的减少而降低了下游性能。在扩展的多叶片系统中，下游指向配置始终优于上游指向配置。值得注意的是，在最佳间距下的十三叶片系统中，下游指向的非对齐配置实现了46.9%的效率，超过了串联布局报告的最高效率，同时减少了所需的流向间距。与以往主要关注串联配置的研究不同，本研究提供了对三角和非对齐多排簇布局的系统比较。这些结果表明，适当设计的簇配置可以实现高于传统串联配置的效率，并为实际的多叶片部署提供了定量指导。

**引言**
自工业革命以来，追求清洁、经济且可靠的能源一直是全球繁荣和经济增长的基石。基于可再生能源的发电厂因其对能源部门脱碳的贡献而被普遍认为是绿色和可持续的（Rahman等人，2022年）。尽管可再生能源的使用大幅增加，但在过去二十年中，非碳能源的总量几乎保持不变，这引起了担忧（Chu等人，2012年）。拍动叶片涡轮机的运行效率与传统旋转涡轮机系统相当。此外，它们相比传统涡轮机具有多个优势，如较低的尖端速度比、对海洋生态系统的环境影响较小（包括较低的噪音水平）、更好的适应性以及更易于扩展的安装容量（Liu等人，2025年）。
为了使拍动叶片涡轮机能够得到广泛的工业应用，必须确保其效率和结构性能优于替代技术。在相对较低的雷诺数下，Kinsey等人（Kinsey和Dumas，2008年）确定了拍动涡轮机的最佳运行参数范围，实现了34%的最大效率，这似乎代表了规则正弦起伏-俯仰运动所能达到的上限。随后提高效率的努力探索了其他策略，如优化运动轨迹（Weizhong等人，2018年）、叶片几何形状（Kiana Kamrani等人，2023年）、壁面效应（Wu等人，2015年）、使用襟翼（Zhu等人，2018年）和柔性叶片（Guillaume和Mathieu，2017年）。大多数这些研究都集中在提高单个拍动涡轮机的效率上（Kiana Kamrani等人，2023年；Wang等人，2016年；Deng等人，2022年）。对于多叶片配置，串联（两叶片）配置吸引了相当多的研究关注（Broering等人，2012年；Dahmani和Sohn，2020年；He等人，2022年；Karakas和Fenercioglu，2017年；Karbasian等人，2015年；Thomas和Guy，2012年），并被认为是最高效的配置方案之一。
随后，开发了几种有效的实验装置（Matthieu等人，2018年；Wang等人，2023年；Dong-Geon等人，2024年；Upfal等人，2025年），测量得到的功率输出与数值预测结果吻合良好。到目前为止，大多数研究都集中在仅包含少量叶片的配置上，其中串联配置表现出了特别有希望的性能。然而，考虑到海洋表面的广阔范围，串联配置的优势是否在更大规模上仍然有效尚不确定。当两个或多个物体在流体流中放置在接近的位置时，周围的流场和流体动力载荷与孤立物体的情况有显著不同。这引发了一些关键问题：严格串联或并行配置是否真的是最高效的配置？由于叶片之间必须保持间距并且可能发生潜在的不利交互作用，简单串联或并行配置所能实现的最大效率是否可以被认为是最优的？应该如何选择配置和运动参数来最大化整体效率？
虽然之前的研究已经广泛研究了串联交互作用，但对串联限制之外的多排簇配置的系统研究仍然有限。尽管拍动叶片涡轮机特别适合在浅水区应用，但仅依赖串联排列可能不足以实现实际的能量提取。在工程应用中，由于制造和运输的限制，单个叶片的弦长不能过大。此外，在某些深度有限但横向跨度较大的浅水区域，多个叶片必须协同工作才能有效收集可用的流动能量。垂直轴风力涡轮机中协调布局的成功应用为研究人员提供了重要启示，表明研究布局配置对于拍动叶片涡轮机的工程应用至关重要（Tonio，2026年）。这些实际考虑进一步激发了对多排簇配置的探索。考虑到流动干扰的影响，研究更广泛的配置模式以确定合适的簇配置并通过系统比较确定最佳配置是至关重要的。
在本研究中，系统地研究了拍动叶片涡轮机的组配置，考虑了俯仰幅度、减频和间距等参数的综合效应。从少量叶片的配置开始，分析了相邻叶片之间的交互作用机制。研究了三种代表性配置——四边形配置、上游指向配置和下游指向配置——以确定最佳参数选择和配置方案。通过对能量收集性能和流场特性的比较分析，阐明了多叶片能量提取的机制，从而为设计高效的多叶片配置提供了指导。最后，提出了四种作为多叶片簇可行设计选项的组合配置方案。基于五叶片配置，该研究进一步探索了组合配置模式并分析了相应的尾流结构，以确定簇部署的最有效配置。

**拍动叶片运动学**
拍动叶片执行起伏和俯仰运动，将流体的动能转化为结构的机械能。两个拍动叶片之间存在相位差，它们的俯仰和起伏运动轨迹可以描述如下：
θi(t) = θ0sin(2πft)
hi(t) = h0sin(2πft + 2π/2)

在上述方程中，θ(t)表示俯仰运动与水平方向之间的夹角，h(t)表示叶片的位移。

**结果**
所有模拟均在Re = 1100的雷诺数下进行，基于弦长和来流速度。对于海水（ν = 1.05 × 10?6 m2/s），0.1 m的弦长对应于大约0.012 m/s的来流速度，如表1所示。这些值代表实验室规模条件，而不是试点规模部署。对于实际应用中的Re ≈ 10^5～10^6，可以根据现场特定条件调整设备的几何尺寸。引入物理尺寸有助于...

**结论**
本研究系统地研究了拍动叶片涡轮机的布局配置，从少量叶片排列扩展到集群多叶片系统，考虑了间距和衰减频率效应。主要结论如下：
1. 三角配置为多叶片集群提供了坚实的结构基础。上游指向排列允许下游叶片利用上游尾流，但其效率受到入射能量减少的限制。

**作者贡献声明**
郑敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，概念化。
侯国祥：资金获取，概念化。
徐顺：研究，概念化。

**资助**
我们感谢国家自然科学基金（授权号51979115、51679099和52109104）以及绿色生态与环境保护船舶专项项目（授权号2020307）的财务支持。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
目前，与我没有利益冲突。