揭秘海洋深处，静止潮汐涡轮背后的湍流世界

研究强调世界上最强大的潮汐涡轮机面临的复杂海洋条件

我们都知道潮汐能是一种清洁且可再生的能源，而潮汐涡轮就是利用潮汐能发电的装置。然而，你是否想过，在这些看似平静的海水中，其实隐藏着复杂而湍急的流动？

什么是湍流？想象一下一条湍急的河流，水流不再平稳，而是形成漩涡、波浪，这就是湍流。在海洋中，湍流也无处不在，它受到各种因素的影响，如海浪、洋流、海底地形等。

然而，将最先进的设备发射到常常湍急的洋流中可能会给潮汐能产业带来一系列挑战，包括它们如何与环境相互作用的不确定性。

为了解决这一问题，一组科学家结合使用空中无人机技术和船上勘测技术，绘制出了世界上最强大的潮汐涡轮机周围的潮流图——位于苏格兰奥克尼群岛中心的轨道海洋动力公司 O2 所遇到的复杂潮汐流。与传统的潮汐涡轮机不同，O2 漂浮在海面上，通过系泊线固定在海床上。该平台长 70 多米，与欧洲海洋能源中心 (EMEC) 的电网相连，估计每年可为 2,000 户英国家庭供电。

研究团队使用了空中无人机和声学剖面测量技术，量化了闲置的实用规模浮动潮汐涡轮机周围的湍流流动条件。涡轮机的转子直径为20米，测量的空间分辨率足够高，可以量化剪切湍流和尾流传。研究发现，涡轮机周围的湍流强度超过20%，湍流长度尺度超过0.4D（转子直径）。在下游4D处检测到速度亏损接近20%，并使用声学反向散射技术追踪到超过30D的远尾流传播。

这些发现对于验证离岸能量平台周围的多尺度流动物理具有重要意义。通过实际测量数据，可以更好地理解和模拟这些复杂的流动环境，从而提高潮汐能提取的效率和可靠性。有助于推动海洋可再生能源的应用和发展。

参考文献：

• Lilian Lieber, Shaun Fraser, Daniel Coles, W. Alex M. Nimmo-Smith. Sheared turbulent flows and wake dynamics of an idled floating tidal turbine. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-52578-x
• Lilian Lieber, W. Alex M. Nimmo-Smith, James J. Waggitt, Louise Kregting. Localised anthropogenic wake generates a predictable foraging hotspot for top predators. Communications Biology, 2019; 2 (1) DOI: 10.1038/s42003-019-0364-z

一、什么是剪切湍流？它对潮汐涡轮有何影响？

想象一下，你将一勺糖放入一杯静止的水中。刚开始，糖会慢慢溶解，水流相对平稳。但是，如果你用勺子快速搅拌，水就会变得浑浊，出现许多小漩涡，这就是湍流。

剪切湍流是一种特殊的湍流，它发生在流体中不同层的流速相差较大时。就像你在河边看到的水流，靠近河岸的水流速度较慢，而中间的水流速度较快，这种速度差异就导致了剪切湍流。

潮汐涡轮的工作环境就是充满湍流的海洋。当海水流过潮汐涡轮的叶片时，会产生强烈的剪切作用，导致湍流加剧。这种湍流对潮汐涡轮的影响主要体现在以下几个方面：

• 增加叶片载荷： 湍流会使得海水对叶片产生不稳定的作用力，增加叶片的载荷。这不仅会影响涡轮的发电效率，还会加速叶片的磨损，缩短其使用寿命。
• 降低发电效率： 湍流会破坏叶片周围的流场，导致叶片无法有效地捕捉水流中的能量，从而降低发电效率。
• 诱发振动和噪声： 湍流引起的振动会传递到涡轮的各个部件，产生噪声，甚至可能导致设备损坏。
• 影响涡轮的控制系统： 湍流会干扰涡轮的控制系统，使其难以准确地控制叶片的转速和方向，从而影响发电的稳定性。

为了减轻湍流对潮汐涡轮的影响，研究人员和工程师们一直在不断探索新的解决方案，例如：通过调整叶片的形状、尺寸和材料，可以提高叶片的抗疲劳性能，减少湍流对其产生的影响。开发更先进的控制算法，使涡轮能够实时适应变化的海流条件，提高其稳定性和可靠性。使用具有更好耐腐蚀性和抗疲劳性能的新型材料，延长涡轮的使用寿命。

总之，剪切湍流是潮汐涡轮在海洋环境中工作所面临的一大挑战。深入研究湍流的特性，并开发相应的应对措施，对于推动潮汐能的开发利用具有重要意义。

二、如何测量和模拟海洋中的湍流？

海洋湍流是一种复杂的现象，对海洋环流、物质输运、生态系统等都具有重要影响。测量和模拟海洋湍流一直是海洋学研究的热点。

测量海洋湍流的方法多种多样，每种方法都有其独特的优势和适用范围。

1. 直接测量法

• ADCP（声学多普勒流速剖面仪）：通过发射声波并接收回波来测量不同水层的速度，从而计算湍流强度。
• LDV（激光多普勒测速仪）：利用激光的多普勒效应测量流体微粒的速度，精度高，但测量范围较小。
• 热线风速仪：通过测量电阻丝在流体中的冷却速率来计算流速，适用于测量小尺度湍流。

2. 间接测量法

• 温盐仪：测量海水温度和盐度，通过分析温度和盐度的垂直分布来推断湍流混合强度。
• 微结构剖面仪：测量温度、盐度和微小尺度湍流的垂直分布，提供更详细的湍流信息。
• 漂流浮标：通过跟踪漂流浮标的运动轨迹来研究大尺度湍流。

模拟海洋湍流是了解湍流特性、预测海洋过程的重要手段。主要有数值模拟和物理模拟。

1. 数值模拟

• 大涡模拟（LES）：直接模拟大尺度湍流运动，而小尺度湍流通过参数化模型来处理。
• 直接数值模拟（DNS）：直接求解Navier-Stokes方程，可以获得湍流的全部细节，但计算量巨大，仅适用于小尺度流动。
• 雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）：对Navier-Stokes方程进行时间平均，引入湍流模型来封闭方程组。

2. 物理模型

• 湍流水槽：通过控制水流速度、温度等参数，在实验室中模拟海洋湍流。
• 大型水池：用于模拟大尺度海洋过程中的湍流现象。

测量和模拟海洋湍流是海洋科学研究的重要组成部分。通过多种测量方法和数值模拟手段，我们可以更好地理解海洋湍流的特性，为海洋环境保护、资源开发等提供科学依据。

三、研究中使用的空中无人机和声学剖面测量技术有哪些优点？

无人机可以携带高精度的传感器，提供详细的流动数据。无人机可以在不同高度和位置进行测量，覆盖范围广泛。无人机能够实时传输数据，便于研究人员即时分析和调整实验方案。无人机操作相对安全，减少了在复杂海洋环境中进行测量的风险。

声学剖面仪能够提供高精度的流速和湍流数据，适用于复杂的流动环境。声学剖面仪可以测量不同深度的流动情况，提供全面的水体流动信息。声学测量不会干扰水体流动，确保数据的准确性。声学剖面仪可以进行长时间的连续监测，捕捉流动的动态变化。

无人机搭载声学剖面仪可以实现大范围、高分辨率的海洋观测，获取海面和水体内部的立体数据。无人机可以快速部署和回收，缩短观测时间，提高观测效率。相对于传统的海洋观测手段，这种组合方式可以显着降低观测成本。无人机可以进入传统观测手段难以到达的区域，如浅海、极地等。

无人机搭载声学剖面仪应用广泛，例如在监测赤潮、溢油、海浪等海洋灾害，为防灾减灾提供数据支持。另外，在进行海底地形地貌测量、海洋工程施工监测等方面多有涉及。

空中无人机和声学剖面测量技术的结合，为海洋科学研究提供了全新的视角和手段。这种观测方式具有灵活性高、效率高、成本低等优点，在海洋环境监测、海洋资源开发、海洋灾害防治等方面具有广阔的应用前景。

四、思考

如何提高无人机搭载声学剖面仪的稳定性，以获取更高质量的数据？如何优化声学剖面仪的参数设置，使其在不同水深、不同海况下都能获得准确的测量结果？如何将无人机与其他传感器（如多光谱相机、激光雷达等）结合，实现多参数同步观测，从而更全面地了解海洋环境？

无人机和声学剖面仪如何帮助我们更好地了解海洋生态系统的结构和功能？如何利用这些技术监测海洋生物的分布和行为，评估海洋生态系统的健康状况？如何将无人机观测与海洋生物模型相结合，深入研究海洋生态过程？

无人机和声学剖面仪如何帮助我们研究海洋内波、湍流等中小尺度海洋过程？如何利用这些技术研究洋流、潮汐等大尺度海洋过程？如何将无人机观测与数值模型相结合，提高对海洋动力过程的理解？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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