潮流涡轮机是用于提取潮流能量的典型设备。目前已有大量水平轴涡轮机和垂直轴涡轮机的原型在潮流资源丰富且条件适宜的海域进行了测试与应用[1,2]。然而，在水深较浅或存在航行要求的区域，水平轴涡轮机的直径或垂直轴涡轮机的高度会受到限制[3]，这便影响了设备的安装容量和经济效益。为克服这些限制，人们提出了水平轴横流涡轮机，这种涡轮机的最佳叶尖速度比较低，目前已通过实验进行了相关研究[4,5]。
从结构和运行方式上看，水平轴横流涡轮机与H型达里厄斯式垂直轴涡轮机类似，因此也具备后者的一些优点，比如较低的叶尖速度比以及能够适应双向潮流[6]。此外，这类涡轮机的垂直高度较低，便于在浅水区域安装[7,8]。目前已有几款水平轴横流涡轮机进入了实地测试阶段。例如，海洋可再生能源公司成功测试了RivGen动力系统和TidGen动力系统[9,10]；Atlantisstrom公司研发的同类设备则在法罗群岛进行了测试，并接入公共电网以评估其性能[11]；印度国家海洋技术研究院也对一款转子直径为0.8米、叶片跨度为1.0米的水平轴横流涡轮机进行了海上试验[12]。该涡轮机在流速为0.8米/秒时即可实现自启动，在流速为1.8米/秒时可达到的最大功率输出为304瓦，对应的功率系数为0.22。
为研究水平轴横流涡轮机的性能，已经开展了一系列基础性研究。McAdam等人通过实验研究了具有直叶片和螺旋叶片的这类涡轮机的水动力性能及结构载荷情况[[13], [14], [15]]，他们的研究结果表明，随着固体度的降低以及阻塞比的上升，涡轮机的功率输出和叶片载荷都会增加；使用螺旋叶片时也会出现类似的效应。Stringer等人发现，随着雷诺数的增大，水平轴横流涡轮机的功率系数也会上升[16,17]；Urbina等人则开发了一种包含动态失速和流场曲率修正的离散尾流涡旋计算方法，预测其最大功率系数可达0.38[18]；Sutherland等人进一步研究了大型水平轴横流涡轮机阵列的性能，发现交错排列的配置在顺流方向的间距越大时，总功率输出越高[19]。无论是单个装置还是阵列形式的水平轴横流涡轮机，都展现出巨大的实际应用潜力，也为后续的学术研究提供了方向。
由于垂直轴横流涡轮机与水平轴横流涡轮机具有相似的水动力原理，因此针对垂直轴横流涡轮机的大量研究成果可以为理解水平轴横流涡轮机的性能提供重要参考。Hunt等人通过实验研究了弦长与半径比、预设俯仰角、叶片数量以及雷诺数等因素对垂直轴横流涡轮机性能的影响，并给出了这些参数的最佳选择建议[20]；Miller等人发现，垂直轴横流涡轮机的效率会随雷诺数的增加而上升，当雷诺数达到1.5×10^6时，效率基本保持稳定；同时，随着叶片数量（即固体度）的增加，涡轮机的效率通常会下降[21]；Eboibi等人发现，较高的固体度会导致功率-叶尖速度比曲线变得更窄[22]；Zhao等人[23]以及Armstrong等人[24]进一步证明，6–7°的前倾俯仰角有助于提升垂直轴横流涡轮机的性能。
对于那些部署在海洋环境中的潮流能量涡轮机，尤其是那些安装在浅水区域或海底的设备，复杂的水动力条件，如剪切流，会对它们的性能产生显著影响[25]，不仅会影响能量提取效率，还会增加结构载荷。目前已有研究系统地探讨了剪切流对水平轴涡轮机和垂直轴涡轮机的叶片载荷[[26], [27], [28]]以及整体性能[[29], [30], [31]]的影响。叶片在剪切流中不断经过高流速区和低流速区，会导致叶片载荷出现剧烈波动，进而可能引发疲劳损伤；此外，剪切流还会放大扭矩波动并降低功率系数。尽管剪切流对涡轮机的影响十分显著，但针对水平轴横流涡轮机而言，相关研究仍然相对较少。Forbush等人研究了河岸两侧产生的横向剪切流对RivGen涡轮机的影响[32,33]，横向剪切流会导致涡轮机沿叶片长度方向的发电量不均匀，给涡轮机的控制策略带来了挑战；虽然也观察到了河床产生的垂直剪切流，但其对RivGen涡轮机的影响并未得到研究[34]；Gauvin-Tremblay和Dumas则通过数值模拟研究了剪切流对水平轴横流涡轮机性能的影响，他们发现，在相同平均流速条件下，与均匀流情况相比，剪切流会使功率系数降低3.6%；随着水深的增加，剪切率也会上升，因此当水平轴横流涡轮机的浸没深度增加时，剪切流对其性能的影响会更为明显，功率系数最多可下降8.3%[35]。
本研究通过数值模拟方法分析了垂直剪切流对水平轴横流涡轮机功率系数的影响，同时通过分析扭矩系数和流场结构，阐明了剪切流作用背后的机制。为减轻剪切流的负面影响，研究提出了导叶扩压器这一优化方案，作为提升水平轴横流涡轮机性能的手段。这项研究填补了现有研究中的空白，为在真实潮流环境中设计和应用水平轴横流涡轮机提供了理论依据。如前文所述，垂直轴横流涡轮机与水平轴横流涡轮机具有相同的水动力原理，因此剪切流对涡轮机性能的影响主要取决于相对于涡轮机旋转轴的速度梯度分布，而非涡轮机的安装方向。在本研究中，剪切流的速度分布是在垂直于涡轮机旋转轴的方向上变化的，这种流动形态并非仅存在于水平方向的涡轮机中，在其他实际场景中也可能出现，比如垂直轴横流涡轮机在靠近河道壁、河岸或其他边界处的侧向剪切流环境中的运行情况。因此，尽管该数值模型是为水平轴横流涡轮机建立的，但本研究所发现的物理机制和性能变化规律同样适用于其他在类似剪切流环境下运行的横流涡轮机。
第二部分详细介绍了水平轴横流涡轮机在剪切流作用下的运行情况，包括性能评估指标、数值模型构建方法以及模型验证过程。第三部分分析了在不同流动方向、剪切率以及叶尖速度比条件下，带有导叶扩压器与不带导叶扩压器的水平轴横流涡轮机的水动力扭矩、流场特征以及能量提取性能。最后，第四部分总结了本研究的主要结论，并指出了未来研究的方向。
