扑翼自发涡系激励振荡机理及高适应性高效能量采集研究

Oscillating foil is a new type of fluid kinetic energy extraction device, which has strong spatial and geographical adaptability and has significant advantage in low speed fluid energy extraction. Spontaneous vortex-induced oscillating foil does not require an auxiliary drive mechanism and transmission mechanism, and has the characteristics of simple and compact structure and high efficiency. This project will use experimental and numerical simulation methods to study the double-degree-of-freedom vortex-induced oscillating foil in the spontaneous motion mode. It will reveal the law of generation, development, and shedding of the vortexes during the spontaneous oscillating, and obtain the mechanism of interaction between the detached vortexes and the oscillating foil aerodynamic parameters and thus extracting energy; the influence of different flow control structures on the evolution of vortex shedding for oscillating will be studied to develop flow control method suitable for vortex-induced oscillating foil for efficient improvement; and the project will discover the mechanism of using nonlinear stiffness to realize energy extraction in a wide range of working conditions, establish a universal method to improve the adaptability of vortex-induced oscillating foil, and acquire the robust design principles of vortex-induced oscillating flapping. The research of this project can provide important basic theories and methods for the efficient development and utilization of wind energy, water energy, and ocean energy.

振荡扑翼是一种新型流体动能采集装置，其空间和地域适应性强，尤其在低速流体能量采集方面具有显著的优势。自发涡激振荡扑翼不需要辅助的驱动机构和传动机构，具有结构简单紧凑、效率高的特点。本项目采用实验和数值模拟方法对自发运动模式下的双自由度涡激振荡扑翼展开研究，将揭示扑翼自发振荡过程中涡系生成、发展和脱落的规律，获得脱落涡与振荡扑翼气动参数相互作用并实现能量采集的机理；研究不同流动控制结构对振荡扑翼脱落涡演变的影响，发展适用于涡激振荡扑翼提升增效的流动控制方法；揭示扑翼非线性刚度实现大范围变工况能量采集的机制，建立提高涡激振荡扑翼工况适应性方法，获得扑翼鲁棒性设计原则。本项目的研究可为风能、水能、海洋能等的高效开发利用提供重要的基础理论和方法。

近海洋流、近地风场和浅水河流中的流体能是蕴藏量丰富的可再生能源，但由于这些流体能具有分散和多变的特点，难以集中高效利用，长期以来没有发展出有效的采集方法和手段。振荡扑翼具有结构简单、应用环境要求低、空间和地域适应性广等优点，在分散性流体能利用方面具有广阔的应用前景。.本项目综合运用实验和数值模拟方法对涡激振荡扑翼展开研究，揭示了扑翼自发振荡过程中涡系生成、发展和脱落的规律，获得了脱落涡与振荡扑翼气动参数之间的关系，揭示了其能量采集机理。进一步研究了不同流动控制结构对振荡扑翼脱落涡演变的影响，发展了适用于涡激振荡扑翼增升提效的流动控制方法。针对涡激振荡扑翼速度适应性较差的问题，提出利用非线性弹簧拓宽共振范围和能谱的方法，查清了其提高振荡扑翼能量采集系统适应性的机理，最终获得了扑翼的鲁棒性设计原则。搭建了一种双卷积神经网络框架，可以高效的实现振荡扑翼多物理场预测以及敏感性分析。开展了科学基础研究向工程应用转化的工作，建立了低湍流度开式循环水洞试验系统，为开发高效紧凑的振荡扑翼能量采集装置提供了基础实验条件。.本项目突破了三项关键科学问题，包括扑翼自发振荡过程中涡系生成演变及其能量转化机理、被动流动控制与脱落涡动力学特性耦合作用机制以及非线性刚度扑翼与复杂工况来流耦合涡系演变规律，建立了适用于双自由度涡激振荡扑翼研究的实验系统、数值仿真模型及方法，开发了高效紧凑的新型流体能采集装置，为风能、水能、海洋能的高效开发利用提供了重要的基础理论和方法。