水輪機是對潮流能進行開發(fā)利用的核心裝置，按主軸與水流方向的位置關(guān)系可以分為水平軸水輪機與垂直軸水輪機。垂直軸水輪機因其受來流方向影響小、密封要求低等優(yōu)勢備受學(xué)者們青睞。然而，傳統(tǒng)的直葉型垂直軸水輪機自啟動性能差、扭矩波動大等弊病一直未得到有效解決。

基于以上背景，我實驗室海洋可再生能源利用創(chuàng)新團隊首席科學(xué)家、中山大學(xué)馬勇教授，團隊博士研究生張愛明、朱元瑤等提出一種垂直軸螺旋型水輪機的方案，基于該方案的水輪機具有自啟動性能好、輸出波動小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點。

該研究基于田口設(shè)計方法，利用CFD數(shù)值模擬軟件，對水輪機翼型、槳距角、包率、密實度和小軸位置五個參數(shù)進行優(yōu)化研究，形成定型方案。首先，基于田口正交試驗將1024種設(shè)計模型簡化為16個優(yōu)化設(shè)計方案，形成五因素四水平正交矩陣評價體系。然后，使用流驅(qū)動旋轉(zhuǎn)方法對多模型進行CFD仿真模擬，并對各個模型的計算結(jié)果進行信噪比分析。最后，基于效率最優(yōu)得出的水輪機優(yōu)化模型翼型為NACA0020，槳距角β=0°，包率ϖ=1.25，密實度σ=0.382，小軸位置O=0.5。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的垂直軸螺旋型水輪機比直葉片水輪機輸出波動率減小了8.04倍;最低自啟動轉(zhuǎn)矩系數(shù)提高了15.9%，自啟動性能得到優(yōu)化;效率比初始設(shè)計提高了17.59%。為了驗證該結(jié)果的有效性，團隊創(chuàng)造性地設(shè)計了力矩測量裝置，對水輪機效率進行了實地測試，其測試結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果吻合良好。該項研究有助于提升垂直軸水輪機發(fā)電的持續(xù)性與穩(wěn)定性，有利于潮流能等資源的開發(fā)與利用。