水平安装ADCP在强潮汐环境中性能研究学术报告

作者与发表信息

本研究由Jan Dillenburger-Keenan（爱丁堡大学工程学院与Orbital Marine Power联合培养）、Calum Miller（Orbital Marine Power）和Brian Sellar（爱丁堡大学）合作完成，发表于Sensors期刊2024年7月第24卷第4462号，文章标题为《On the Performance of a Horizontally Mounted ADCP in an Energetic Tidal Environment for Floating Tidal Turbine Applications》。

学术背景

研究领域：本研究属于海洋可再生能源中的潮汐能涡轮机（tidal turbine）技术领域，聚焦于声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP）在水平安装模式下的性能评估。

研究动机：潮汐能作为英国沿海未充分开发的可再生能源，预计可满足全英11%的电力需求。然而，潮汐涡轮机的功率性能评估（power performance assessment）需精确测量入射流速，传统方法依赖海底垂直安装的ADCP，但浮式涡轮机需要更灵活的传感器部署方案。水平安装ADCP可降低运维成本，但其在强潮汐环境（流速达4 m/s）中的性能尚未系统验证。

核心问题：
1. 水平安装的ADCP实际测量范围是否受流速影响而低于厂商标称值？
2. 多波束配置下ADCP能否准确解析流速？
3. 如何满足国际电工委员会（IEC TS 62600-200）对自由流测量的要求？

研究流程与方法

1. 实验平台与传感器配置

研究对象：
- 浮式潮汐涡轮机O2：由Orbital Marine Power开发的2 MW级设备，配备两个直径20 m的转子，通过悬链式系泊系统固定，允许水平面内约25 m的位移。
- ADCP设备：Nortek Signature 500型5波束ADCP（频率500 kHz），水平安装于涡轮机端口支腿，中心波束（波束5）水平指向后方（图2-4）。

数据采集：
- 时间范围：2023年3月1日至14日，覆盖7个潮汐周期（14天）。
- 参数设置：连续记录5波束数据（4 Hz采样率），分68个距离仓（每仓1 m），仅分析流向传感器的数据（避免转子尾流干扰）。

2. 数据质量控制（QARTOD框架）

采用实时海洋数据质量保证/质量控制（QARTOD）标准，通过多级过滤剔除异常数据：
- 波束级过滤（表1）：包括振幅阈值（T6：<30 dB）、相关性阈值（T8：<80%）、姿态变化率（T15：>2.5°/s）、振幅突变（T18）及自定义流速中值滤波（JDK1）。
- 坐标转换后过滤（表2）：流速上限（T10：>8 m/s）和相邻仓突变（T20：>±0.8 m/s）。

特殊处理：波束4因海面反射限制有效范围为17 m（图6）。

3. 单波束测量范围分析

• 方法：评估波束5在不同流速下通过过滤后的数据保留率，定义“有效范围”为满足特定数据损失率（如10%）的最大距离。
  
• 关键发现（图7、表3）：
  
  • 流速越高，有效范围越大（如-3.75 m/s时可达68 m，但-0.25 m/s时仅57.9 m）。
    
  • 若接受10%数据损失，最大有效范围为31 m（所有流速下）。
    

4. 多波束流速解析精度

• 对比方案：直接测量的波束5流速（Z5）与多波束组合推导的Z轴流速（Z1,3和Z1,2,3,4）。
  
• 结果（图8）：
  
  • Z1,2,3,4因波束4范围受限，仅能评估至17 m，误差<0.1 m/s（低流速）至0.2 m/s（高流速）。
    
  • Z1,3可覆盖68 m，误差始终<0.2 m/s，但系统性高估Z5（因垂直剪切流导致流速分布不均）。
    

主要结果与逻辑关联

1. 单波束范围受限性：厂商标称70 m范围在强潮汐中无法实现，实际范围依赖流速与数据质量容忍度。例如，满足IEC要求的2倍转子直径（56.6 m）测量需接受90%数据损失（表3）。
   
2. 多波束配置的权衡：虽然Z1,3可扩展范围，但流速解析误差可能影响功率曲线评估的准确性。
   
3. 与历史研究的对比（表4）：1 MHz ADCP在同类环境中最大范围仅20.4 m（Nortek Aquadopp）或13 m（Nortek AD2CP），表明500 kHz Signature 500性能更优。
   

研究结论与价值

科学价值

1. 首次系统验证水平安装ADCP在浮式潮汐涡轮机上的性能边界，填补了该领域的研究空白。
   
2. 量化了流速与数据损失率的关联，为后续实验设计提供参考标准。
   

应用价值

1. 指导IEC标准实践：指出水平ADCP需权衡测量距离与数据质量，可能影响未来IEC TS 62600-200的修订。
   
2. 优化涡轮机控制：实时入射流数据可用于前馈控制（如降低载荷），借鉴风电技术（参考文献18-19）。
   
3. 降低运维成本：水平安装避免海底作业，适合浮式涡轮机的长期监测。
   

研究亮点

1. 创新性实验设计：在2 MW级商用涡轮机上部署水平ADCP，环境条件（流速4 m/s、波高<1.3 m）具有强工程代表性。
   
2. 严格的质量控制：结合QARTOD标准与自定义滤波（JDK1），数据可靠性高于既往研究。
   
3. 多维度性能评估：同时考察单波束范围、多波束精度及IEC合规性，结论全面。
   

其他价值

• 扩展应用场景：水平ADCP还可用于尾流分析（研究转子下游流场）和阵列优化。
  
• 技术局限性：垂直剪切流导致多波束推导流速存在系统性偏差，需在功率曲线计算中校正。
  

本研究为浮式潮汐涡轮机的传感器部署提供了关键基准，同时推动了ADCP在非传统安装模式下的性能认知。