海洋工程水动力与装备研究所在垂直轴水轮机流体-机电联合仿真研究方面取得新进展。相关成果以《A fluid-electromechanical co-simulation model for vertical-axis hydrokinetic turbines and its experimental validation》为题，于2026年5月发表在期刊《Energy》上。硕士研究生章晨洋为第一作者，何广华教授为通讯作者。

研究背景

潮流能转换装置主要分为水平轴潮汐涡轮机与垂直轴潮汐涡轮机(VAHT)两大类，轴流式涡轮机主要被考虑放置在天然水道，而立式涡轮机则被设计用于浮动或近表面安装布置， VAHT凭借无需对流向、结构紧凑、传动系统简化及近岸安装便捷等优势，成为小型离网潮流能开发的优选方案。

一方面，多数研究仅聚焦通过CFD模拟前端流场与叶轮受力，简单将后端发电系统等效为一个旋转阻尼，忽略了多物理场耦合效应；另一方面涡轮机功率控制领域多依赖于TSR-MPPT控制，少有关于无流速传感器的直接功率控制方案研究。

研究亮点

1）提出并验证了一个垂直轴水轮机（VAHT）流体-机电联合仿真模型；

2）在等效入流速度 0.42 米 / 秒、叶尖速比 2.245 工况下，该垂直轴水轮机物理模型的峰值效率达到 31.15%；

3）基于实验数据搭建了 OTC-MPPT 控制策略，联合仿真得到的最大功率点与原始实验数据吻合度良好，且在变流速工况下运行稳定。

图1 联合仿真模型

图2 垂直轴水轮机物理模型试验

图3 仿真与试验结果MPPs对比

图4 变流速工况对联合仿真模型MPPT策略验证

研究方法

该模型有机整合了STAR-CCM+中的CFD与AMEsim中的机电系统仿真，实现了从流场能量捕获到电能输出的全链路动态耦合。针对小型离网系统应用的成本与可靠性需求，研究采用基于循环水槽试验数据实现的最优转矩控制策略，流速变化时无需流速仪即可实现最大功率点跟踪，等效0.42m/s来流下VAHT试验模型，在2.245尖速比达到31.15%的峰值效率。联合仿真结果表明，在0.2-0.8m/s流速范围内，联合仿真模型预测的功率曲线与试验数据吻合良好。在流速0.3m/s-0.7m/s线性增长和阶跃变化的工况下，系统表现稳定并准确追踪最大功率点，展现出优异的动态响应与稳定性。

研究结论

1）通过循环水槽试验测定了一种NACA0018翼型的三叶片升力型VAHT的真实功率特性曲线，连接杆与直叶片一体采用翼型的设计有效的降低了连接杆的阻力影响，使用半经验法修正试验阻塞效应，在等效0.42m/s来流下，试验模型在TSR为2.245时达到31.15%的峰值效率，证明了所研究VAHT的获能潜力；

2）所提出的联合仿真模型具有高保真度与可靠性。在0.2–0.8m/s流速范围内，联合仿真模型预测的功率曲线与试验数据高度吻合，并验证了模型在稳态与动态工况下的准确性。模型能够有效再现VAHT在启动、稳态及变流速工况下的系统行为，具备良好的工程适用性；

3）通过机电系统设置轻载启动策略，成功实现了VAHT发电系统在流速0.7m/s条件下从静止至稳态的平滑过渡，并结合流场分析揭示了力矩零点与涡旋演化对启动过程的影响机制；

4）验证了OTC-MPPT策略在VAHT发电系统中具备良好的动态响应与鲁棒性。在流速线性增长与阶跃变化的工况下，系统能够快速跟踪最大功率点，并在5s内恢复稳定运行，展现出优异的控制性能，适用于实际海况中流速多变的应用场景。

该研究得到国家自然科学基金(52471326)、国家重点研发计划(2023YFB4204200)、阳江海上风电实验室开放研究项目(2025YOWPLORP-03)、山东省自然科学基金(ZR2025QC1068)等资助。

引用论文

Zhang C, He G, Yang H, et al. A Fluid-Electromechanical Co-simulation Model for Vertical-Axis Hydrokinetic Turbines and Its Experimental Validation[J]. Energy, 2026: 141231.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.141231