2022年7月16日，来自56家单位的480支队伍、1685名选手共同参加第二届海洋可再生能源装置设计赛。经过激烈角逐，由我院郑向远研究员和明阳智能邹荔兵高工指导，陈金路、杨如嫣、李冬安三位同学组建的“极地东风”队荣获大赛二等奖。
极地科考，是走向海洋强国的必经之路，对我国有着战略性意义。两极除了是寒级，也是风极，但高耸的风机会严重威胁6500万极地鸟类的安全，司空见惯的12级“杀人风”会将传统直立风机吹倒。如何真正利用极地的风能宝库，始终是业界痛点。基于此背景，“极地东风”队设计了一种适用于极地等恶劣环境的中小型涡管风电设备。该设备由偏航、整流、发电、运维四大系统构成。正常风速下，风速风向仪识别风场信息，控制偏航轴承精准对风，极端风速下设备自动偏移至风速正交方向，以强壮的管壁抵御风载。整流系统包括网栅与滤网，网栅修正流体流向，滤网过滤夹带的冰晶与沙粒并进一步耗散残存的脉冲动能。喇叭状设计能使风完成自然加速，风机可在内部轨道上滑动与固定，在舱门配合下实现风机检修与沉积物清理，其示意图如下：
图1 涡管发电设备示意图
参赛队员分别对“单/双/三台风机+涡管内/开放空间”6种典型工况开展了CFD高保真数值模拟，运用多项控制策略完美确保复杂构型边界层质量。数值模拟时，团队在若干位置设置了速度监测点与监测面，结合风机的功率曲线验证装置发电效率。团队最终发现：双风机时串联，涡管发电设备的发电效率相较于将风机直接置于开放空间将提高6.67%，三风机串联时将提高11%。其中，涡管内三风机串联时的尾迹仿真结果如图所示：
图2 三风机串联下尾流CFD数值模拟结果
对于整流系统，研究团队以15°为步长开展了多风向模拟。以45°为例，未加装整流网栅的管道流场恶劣，加装之后流线稳定平直（如图3所示）。对比加装网栅后中心点速度与面平均速度，发现二者相差极小，说明管道内已经近乎于均匀流场。分别对比距离网栅3m和4m处中心点、横截面y分量速度与x、y、z全耦合速度，发现二者近乎重合，这说明管道内y向速度，也就是本算例中垂直风轮的速度已成控制性分量，不再有其他分量造成额外荷载，这对于延长风机使用寿命、提高发电效率具有重大意义。
（a）45°入射时，管道无网栅的流场
（b）45°入射时，管道加装10×10网栅的流场
图3 整流系统性能验证
图4 y分量与全耦合速度对比图
第二届海洋可再生能源装置设计赛，为海洋可再生能源开发技术及产业发展提供交流平台。我院“极地东风”团队力求在国家海洋可再生能源开发关键技术上取得突破，探讨海洋可再生能源开发的新思路、新领域和新趋势。力求让人类更好地探索生命禁区，开发出环境友好、更高效率的特种风电设备，助力我国科考队员走向世界尽头，探无人之境！
文/图：陈金路 杨如嫣
编辑：彭锦涛
审核：郑向远
