基于Vck系统的圆柱流致振动及其能量收集与转换效率参数化研究

The research purpose of Alternating lift energy technology is through optimization of the single or tandem cylinders that suspend on springs through Flow-Induced Motions. Power envelopes as function of flow speed and type of FIM need to be generated. FIMs studied in the process include vortex-induced vibrations, galloping, and gap flows. Generating power envelopes in such a large parametric design space and for different FIM phenomena is equivalent to finding the efficiency of propellers with different number of blades and geometric properties. Based on the Virtual Spring-Damping system in TrLS2 flow regime (20,000<Re<300,000), the objectives of this project are: Systematically study the effects of linear and nonlinear spring stiffness, linear viscous damping and mass ratios on single cylinder oscillatory response, power harness and efficiency, which finds the optimal design parameters of single cylinder at various reduced velocity (U*) related to harness power; Spacing, linear viscous damping, stiffness and gap-flow effect on tandem cylinders power harness and efficiency, combining with PIV method and time history, which emphasizes at high energy density region like galloping. The end result of this research is the optimal design of optimal design parameters of single cylinder at various U*.

利用以刚度圆柱为基础的交替升力技术能量收集研究目的是通过研究固定在弹性支承刚性圆柱的流致振动，从而设计圆柱参数来优化能量输出、流致振动的能量包络线。流致振动的研究包括涡激振动、驰振以及间隙流。这是一个多参数设计问题，由于FIM现象的复杂性，使能量收集研究变得极为复杂，相当于找到螺旋桨的效率与不同数量的叶片和几何属性。本项目研究在TrLS3(20,000<Re<300,000) 流速区域，基于虚拟弹簧-阻尼系统与被动湍流控制技术，研究弹簧刚度(线性与非线性)、附加线性粘滞阻尼、质量比等对单圆柱振子系统的流致振动的振幅、频率响应影响，找到不同折合流速下的最优单圆柱参数设计；并在单个圆柱参数优化设计的基础上，结合PIV与时程曲线，研究间隙流对串列圆柱的流致振动，尤其是驰振这一高能量收集范围的流固耦合的机理，系统的研究间距、附加阻尼与间隙流的影响，完成圆柱流致振动及其能量收集与转换效率参数化研究。

本项目研究雷诺数在TrLS3范围的圆柱振子交替升力能量收集装置的流致振动机理以及能量与效率的优化参数设计。以Vck实验系统为基础，通过系统识别，反向施加非线性阻尼，在控制系统线性粘滞阻尼基础上，研究弹簧刚度(线性与非线性)、附加线性粘滞阻尼、质量比等对单圆柱振子系统的流致振动的振幅、频率响应影响；结合实验数据与数学模型，给出单个圆柱的流致振动能量收集包络线与能量转换效率，找到不同折合流速下的最优单圆柱参数设计；在单个圆柱参数优化设计的基础上，结合PIV与时程曲线，研究间隙流对串列圆柱的流致振动，尤其是驰振这一高能量收集范围的流固耦合的机理解释； 在此基础上，系统的研究间距、附加阻尼与间隙流对串列圆柱振子的能量收集和效率影响；并在虚拟弹簧阻尼系统Vck的基础上，进行了非线性弹簧的对圆柱流致振动及其能量收集与转换效率参数化研究。得到的具体成果如下：.（1）对线性单振子系统进行分析，对比振幅响应，频率响应，质量比，阻尼比，刚度等对系统功率及效率的影响；研究能量收集功率最优化区域、效率最优化区域与系统参数的关系，并分析其适用的流速范围。.（2）在线性单振子的基础上，对线性多振子系统进行分析，研究间距比L/D以及上述其他系统参数的影响，分别分析上下游圆柱振子各自的弹簧刚度、阻尼比等参数。研究其最优化区域，并与线性单振子对比可知功率提升了两倍以上。.（3）对非线性单振子系统进行实验研究，通过使用Vck虚拟弹簧阻尼系统实现了非线性弹簧的调节，并通过对其弹簧刚度、阻尼比、频率响应等参数的研究可知非线性振子相比较于线性振子在驰振开始时其效率提升了76%，但随着流速的增加，其差距降低到了15%。.（4）将自适应阻尼引入多振子系统，实现了速度-比例的自适应阻尼系数，克服了上游圆柱振子的负屏蔽效应，相比较线性系统其能量收集功率和效率均有了显著的提升。