根据本次研究所建立的小范围水域模型可得到该水域涨落潮阶段的流速分布(见图6)。仿真结果显示，涨落潮阶段在斋堂岛东南部区域和其与大陆间的琅琊台海峡处流速较大。在大潮期间，涨潮流速能超过2.0 m/s，落潮流速能超过1.8 m/s。

图6 大潮涨落潮阶段流速分布Fig.6 Velocity distribution in Spring-flood and spring-Ebb

采用TSE方法可计算出该水域的TSE因子分布(见图7)。在斋堂岛东南部区域，TSE因子较大，比较适合放置规模较大的水轮机阵列；而在大陆与斋堂岛间的海峡处，虽然涨落潮期间流速较大，但水深相对较小，不适合放置较大规模的水轮机阵列。因此，考虑到实际水深等因素，将水轮机阵列初步选定布放于斋堂岛东南部水域，水轮机阵列位置如图7黑线内所示，其中阵列放置区域的面积为540 m×360 m。

2.2 水轮机阵列设置方式

在本次研究中，水轮机阵列中的水轮机都假设为水平轴潮流能水轮机。在流场模型中加入潮流能水轮机依研究的目的不同有不同的处理方法。其中，一些研究通过修改水力学模型中计算网格局部网格节点上的水底摩擦系数来等效水轮机阵列所带来的水动力影响[18]，不过此方法多用于二维水力学模型[19]；另外一些研究通过在水力学模型中计算网格的局部节点上添加动量损失方程来仿真潮流能水轮机对水域产生的影响[12]；此外，也有一部分研究通过修改水力学模型中的局部湍流模型系数来模拟水轮机对潮流场带来的改变[20]。

本次研究通过上述第二种方法，采用动量损失的方法。该方法的具体过程如下：

在水流通过潮流能水轮机时，会产生一定程度的动量损失，根据公式(2)和(3)，其动量方程分别可变为：

其中，Mx和My分别为水力学模型在U和V两个方向上的动量源项。

在Delft 3D中，可以通过UDF文件多孔盘(porousplate)来实现对其水力学模型中局部网格节点上动量方程的源项修改，以实现对潮流场中水轮机的模拟。该方法已通过实验与Delft 3D中的仿真结果进行了一定验证[15]并在近年的不少研究中得到了应用[19]。

图9 多孔盘的在计算网格中布置方向Fig.9 Arrangement of porous plate in grid

使用多孔盘仿真潮流能水轮机时，除了需要计算出水流通过潮流能水轮机时产生能量损耗的大小，还需要考虑在实际情况下的水轮机迎流方向与建立的水力学模型中计算网格方向不匹配的问题，因此需要在水轮机放置位置上的计算网格中的U和V两个方向上同时设置多孔盘(见图9)。多孔盘中参数设置的计算公式为：

其中，动量耗散参数Closs设置的计算公式，在U方向上为：

同样，在V方向上：

其中：γu和γv分别代表在U和V方向上单位网格上的动量损耗比例；CT为水轮机的轴向力系数，本次仿真假设CT为定值并且选取CT=0.8[21]；Au和Av分别代表在U和V方向上单位网格上的水轮机叶片扫掠面积；At代表在单位网格上的水轮机的叶片上的扫掠面积；Δx和Δy分别代表单位网格节点上在U和V方向上的距离；Δz代表每sigma层的高度；n代表多孔盘所在的层数。

2.3 水轮机阵列对区域水位流速影响

本次研究，所选择布放水轮机阵列的区域平均水深在35 m左右，根据EMEC的标准[4]，水平轴水轮机叶片最底端需要高出水底5 m以上，水轮机叶片最顶端需要低于该水域天文潮水位最低点5 m以上，因此选用叶片直径为18 m的水轮机，其中水轮机转子中心位置在距离海床高度15 m处。

在所选区域放置4排水轮机，每排间距离为10D(D为水轮机转子直径)；每列中相邻水轮机转子中心间距离分别选用1D、2D、3D、4D和5D，采用交错布置的方式。在水轮机阵列布放面积确定的条件下，以上各阵列布置方式中可布放水轮机台数分别为80、40、28、20和16台。分别将未放置水轮机和放置不同排布方式的水轮机阵列的潮流场模拟结果进行对比可得到的半月潮大潮期间水位和流速矢量对比如图10所示。

仿真结果显示：涨落潮期间，水位会在水轮机阵列迎流方向上有一定程度的上升，且每经过一排水轮机后会有一定的下降，该现象随阵列中水轮机密度的增加而愈加显著。其中，当一定面积阵列中水轮机密度达到最大时，其对区域水域的改变最大不超过3 cm，且随其与阵列距离的增加影响幅度逐渐减小。另外，阵列对区域水位影响范围较大，将会影响到岛屿与大陆间海峡处的水位(见图10(a))。

相比对水位的影响，水轮机阵列的布放密度对流速影响十分明显，其所带来的最大流速下降在尾流影响区域能够超过0.45 m/s，且影响距离超过2 km(见图10(a))。而当选择较为稀疏的水轮机阵列时(行间距大于4D时)，其对潮流场的影响较小，流速改变不到0.1 m/s(见图10(e))。此外，在该水域加入水轮机阵列后将会对由岛屿尾流所引起的漩涡[13]带来一定改变，此种改变所带来的影响需要在未来进一步研究和评估。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0220/514.html

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