本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
座頭鯨是令人印象深刻的敏捷游泳健將——這在很大程度上歸功於它們鰭肢前緣上被稱為結節的凸起排。 結節產生漩渦狀水流，稱為渦流，這有助於大型哺乳動物保持升力並延遲失速，失速是一種空氣動力學現象，其中流體在鰭肢頂部的流動與底部的流動分離，導致阻力增加。
之前的研究表明，在風力渦輪機葉片上新增類似結節的凸起可以使葉片更好地收集能量，尤其是在低速時。工程師們已經將這一原理應用於工業風扇，並繼續開發受鯨魚啟發的風力渦輪機技術。現在，美國海軍學院 (USNA) 的研究人員已經表明，在水下潮汐渦輪機上新增凸起也能提高其效能。在一個實驗室實驗中，他們在 11 月 22 日舉行的美國物理學會流體動力學分會年會上展示了結果，結果表明，與帶有光滑邊緣葉片的標準渦輪機相比，帶有凸起的渦輪機在低速時產生的能量明顯更多。
海洋潮汐代表著巨大的可再生、無汙染能源潛力。但潮汐能產業的發展一直緩慢，很大程度上是由於技術挑戰。工程師面臨的一個重要障礙是難以設計出在低速水流中不會失速的渦輪機。“許多渦輪機設計在非常低的速度下，由於上表面的流動分離，無法產生升力，”美國海軍學院機械工程學教授馬克·默裡解釋說。因此，海軍少尉蒂莫西·格魯伯意識到結節在風力渦輪機上的作用，決定在海洋潮汐渦輪機葉片上測試它們。默裡和海軍學院船舶建築與海洋工程系的教授大衛·弗雷德里克森為格魯伯提供了專案建議，格魯伯現在是麻省理工學院的研究生。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
格魯伯使用計算機輔助設計程式製造了一個標準潮汐渦輪機葉片，然後使用該程式構建了添加了結節的版本。在實驗室中，實驗設計比對照組表現更好，降低了切入速度（渦輪機開始轉動的閾值速度）並在較低速度下產生更多功率。在較高速度下，實驗渦輪機的效能與對照組相似。
默裡說，儘管這項研究是初步的，但結節葉片設計的優勢在於其簡單性。到目前為止，克服低速和變化速度水流的嘗試都涉及複雜的機制。例如，一些風力渦輪機葉片可以根據水流速度改變形狀。但默裡說，這對於潮汐渦輪機來說並不理想，因為水下環境不太適宜。“在水下，你必須非常小心，因為你做得越複雜，它就越有可能損壞，”他指出。
默裡說，下一步是測試該設計與工程師已經嘗試使用不同方法最佳化以適應低速水流的葉片進行比較。他說，這些設計可能在較高速度下存在缺點，但之前的風力渦輪機研究表明，新增結節不會對較快流速下的產量產生負面影響。對於潮汐渦輪機，“如果你能找到利用低能量流的方法，又不會在較高速度流中損害自己，那絕對是一個優勢，”他說。
圖片來源：
渦輪機葉片的圖片：由美國海軍學院馬克·默裡教授提供
鰭肢插圖：Flickr/cheesy42