中文摘要：

水平轴潮流能水轮机的动力特性是目前可再生能源领域研究的热点问题，为了最大限度捕获潮流能，水轮机直径变得越来越大，这样叶片的水弹性响应和可靠性变得越来越关键，特别是当水轮机接近能流密度较大的自由表面时，叶片表面产生的非定常自然和通气空泡使得问题更加复杂化。因此亟需相关设计理论、方法与软件工具。本项目重点研究水轮机在空泡状态下流体与结构耦合的动力学建模问题。通过三维时域边界元法，粘性CFD理论以及多相流理论建立水轮机水动力模型、分解叶片旋转与变形运动建立水轮机与周围流体的流固耦合匹配格式，结合有限元方法建立水轮机在非均匀来流、非定常空泡、叶片振动等复杂载荷作用下的结构动力模型，最终形成一套快速有效的潮流能水轮机流固耦合数值分析方法。该方法经过与模型实验结果的对比验证，将用以探讨叶片表面空泡生成发展机理、潮流能水轮机动力特性变化规律，为提高潮流能水轮机的设计能力提供技术保障。

结论摘要：

全球气候变化和能源危机使得越来越多的国家重视海洋潮流能的开发与利用。水平轴潮流能水轮机是潮流能发电系统中的核心部件，为了最大限度捕获潮流能，水轮机直径变得越来越大，这样叶片的水弹性响应和可靠性变得越来越关键，特别是当水轮机接近能流密度较大的自由表面时，叶片表面产生的非定常空泡使得问题更加复杂化。因此亟需相关设计理论、方法与软件工具。本项目重点研究水轮机在空泡状态下流体与结构耦合的动力学问题，为提高潮流能水轮机的设计能力提供技术保障。基于叶素动量理论通过自主编程形成了潮流能水轮机的流体动力设计分析方法。该方法能够快速有效的设计结构可靠运行速比较宽的水轮机并能预测水轮机在空泡状态下的效率及载荷。基于粘性CFD方法依次探讨了水轮机在偏航、立柱干扰和双转子条件下的流体动力特性和流场特性的变化规律。结合线性频域方法，分析得到了载体与水轮机耦合运动时，水轮机阻尼系数和附加质量系数。结合线性波理论研究了水轮机在波流联合作用下的非定常流体动力变化规律。结合CFD方法和有限元方法校核了潮流能水轮机在额定工况和极限工况下的结构可靠性。基于模态分析利用坎贝尔图得到了水轮机的基本振动特性。基于复合材料弯扭耦合理论优化设计了水平轴水轮机弯扭耦合叶片，并对该叶片的弯扭耦合性能以及振动特性进行分析。基于叶素动量理论、三维时域边界元法和有限元方法建立了水轮机单向流固耦合方法，该方法能够在初步设计中快速有效的计算水轮机的基本流体和结构特性。基于粘性CFD方法和有限元方法建立了潮流能水轮机双向流固耦合数值模拟方法。利用该方法详细分析了潮流能水轮机流体动力和结构动力的耦合规律。综合考虑水轮机流体性能和结构性能，对潮流能水轮机进行了多变量、多目标优化设计分析。研制小型水平轴潮流能试验模型，在拖曳水池中开展了典型工况下潮流能水轮机性能测量试验，详细研究了叶片安装角、流场速比和水深等参数对水轮机流体和结构性能影响规律。基于三维时域边界元方法建立了自然空泡和通气空泡在非定常流场条件下的流体动力分析方法，并探讨了自然空泡和通气空泡对潮流能水轮机性能影响规律。基于多相流理论采用粘性CFD方法系统分析了潮流能水轮机叶片表面片状空泡的生成发展机理。