潮汐能量是指潮汐流的動能[1],[2]，主要來源于月球、太陽和其他天體的引力作用導致的海水周期性升降[3],[4]。作為一種可再生能源，潮汐能量因其環保性、可預測性和豐富的資源儲備[5],[6]而被視為化石燃料發電的有希望的替代方案。作為潮汐能發電的關鍵轉換裝置之一[7],[8]，潮流水流渦輪機（TST）主要分為兩種類型：水平軸型和垂直軸型[9],[10]。其中，水平軸型TST因具有較高的能量轉換效率、較強的運行穩定性和出色的自啟動性能[11],[12]而在工程應用中占據主導地位。
然而，在流速較低的深海環境中，它們的性能會急劇下降，因為進入的流體往往無法提供足夠的扭矩來啟動旋轉并維持高效發電。此外，湍流渦旋的隨機脫落會顯著降低能量捕獲效率，使得低流速運行成為深海潮汐能系統實際開發中的主要技術瓶頸[13],[14]。
在這種背景下，將導管作為流體動力增強裝置的應用已成為在弱流條件下提高渦輪機性能的有效策略。通過結合收縮段、直管段和擴散段的組合設計，導管能夠在流道內誘導局部流速加速，從而集中并增加通過渦輪機的流速。這種導管配置已被證明可以提升TST的功率輸出和運行穩定性，克服了開放式渦輪機在低流速環境中的部分限制[15]。
近年來，導管幾何形狀的優化受到了廣泛關注，全球研究人員通過實驗和數值模擬方法取得了顯著進展。在實驗研究中，探索了多種導管配置以提升渦輪機性能。Wang[16]和Cresswell等人[17]證明，收縮-擴散導管可以有效提高功率輸出并改變最佳葉片尖端速度比，同時即使在偏航條件下也能保持高效率。Maduka等人[18]進一步研究了串聯渦輪機布置，并報告稱法蘭型導管使單個渦輪機的功率提高了約40%，但在雙渦輪機運行時由于尾流干擾，效率提升效果顯著降低。這些發現證實了導管設計的性能優勢，但對流速加速機制的深入了解仍然有限。
在數值研究中，采用了多種優化技術（包括正交實驗設計、模擬退火和響應面方法）來改進導管幾何形狀和流體動力性能。Deng等人[19]確定了擴散段長度和擴張角是控制加速的關鍵因素，而Rezek等人[20]發現保持適當的葉片尖端間隙可以提高整體效率。Mei等人[21]提出了一種混合優化策略，在實現高功率輸出的同時降低了計算成本。盡管取得了這些進展，但以往的研究主要集中在幾何優化或性能比較上，而導管與渦輪機之間的耦合機制（特別是在低流速條件下）尚未得到充分量化。
為了解決這些問題，本研究開發了一種專為深海低流速環境設計的短管式水平軸TST。建立了一個格子玻爾茲曼方法-大渦模擬（LBM-LES）框架，用于研究導管的加速特性和渦輪機-導管之間的相互作用機制[22]。采用正交實驗設計來確定主導幾何參數，并定量確定它們對流速加速的影響權重。然后將優化后的導管配置應用于三維TST模型，分析不同流入流速（0.10–0.46 m/s）下的性能變化和尾流演變。
這項工作不僅建立了一個經過驗證的高保真數值框架用于導管式TST分析，還闡明了驅動流速加速的“外部阻力-內部吸力”耦合機制。研究結果為提高低流速海洋環境中的潮汐能量捕獲效率提供了理論基礎和工程指導。
技術路線圖如圖1所示。本文的結構如下：第2節介紹了實驗的相關信息，并描述了LBM-LES耦合求解器的開發過程。還使用實驗數據驗證了數值模型，并詳細解釋了導管的幾何參數系統和正交實驗策略。第3節進行了導管的二維數值模擬，并使用范圍分析和方差分析來檢驗參數敏感性。第4節展示了導管的二維數值模擬結果和導管式TST的三維數值模擬結果，定量評估了導管對TST功率輸出和流場演變的影響。最后，第5節總結了本文的主要結論。
