基于鱼鳍仿生原理的微小波浪能自适应吸收机理及转换特性研究

Our Nation is confronted with multiple oceanic challenges like ocean resources exploration, ocean sovereignties protection and deep/far oceanic combat and defense. Nowadays,the relevant exploration techniques are rapidly developed to extend the applications in deep/far ocean. However, lacking of effective methods of power supplies becomes the bottleneck in the process of putting exploration devices into deep/far ocean practices. According to the bio-inspired propelling principles of the tail fin, a novel wave energy conversion device is proposed in the project. The device consists of a surface body and a wave energy self-adaptive absorber beneath water. The bio-inspired tail fins are averagely installed on the circumferential direction of the absorber, which are capable of converting the vertical motion of the surface body to continuous rotation of the absorber, leading to a great increase in efficiency. The project intends to address the key scientific problems as follows: 1. the absorption mechanisms of the wave energy device; 2. the hydrodynamic characteristics of the wave energy device; 3. the energy transforming stablility of the wave energy device; 4. Prototype design and experimental study of the device. The project involves multiple domain, including ocean engineering, bionics, mechanical engineering and control engineering. The methods of theoretical modeling, numerical simulation and prototype design and experiments are utilized to study the absorption mechanisms and energy conversion properties. A theoretical system of engineering design is established, and the practical expriments are performed to testified. The works above will be of great significance to the design and manufacture of the novel micro wave energy devices.

我国面临海洋资源探测、权益维护和深远海作战防御的等多种需求，海洋探测技术不断向深海、远海应用拓展，缺乏有效的能源供给手段成为各种深远海探测装备迈向实用的"瓶颈"问题之一。本项目借用鱼类尾鳍仿生推进原理，原创性地提出一种新型波浪能装置，由水面载体和水下波浪能自适应吸收器构成，吸收器采用周向均布的仿生尾鳍直接将水面载体的升沉运动自适应转化为波浪能吸收器高效连续旋转,大幅提高效率。围绕新型波浪装置的关键技术开展以下工作：波浪能装置吸收机理与转换效率、波浪能装置水动力学特性、波浪能装置能量转换稳定性、样机设计与试验验证。研究内容涉及海洋工程、仿生学、机械工程和控制工程等多个学科交叉，采用理论建模、数值计算和模型试验的方法对新型波浪能装置的吸收机理和能量转换特性进行系统研究，建立一套原理方案和设计理论体系，并通过试验验证理论的正确性，为新型微小波浪能装置的研制提供理论依据，经济和军事应用前景广阔。

当前我国面临海洋资源探测、海洋权益维护和深远海作战防御的等多种战略需求。海洋探测技术不断向深海、远海应用拓展，而缺乏有效的能源供给手段成为各种深远海探测装备迈向实用的“瓶颈”问题之一。.本项目借用鱼类尾鳍仿生推进原理，从鱼鳍能量转换原理仿生、运动仿生和结构仿生出发原创性地提出一种新型波浪能装置。装置由水面载体和水下波浪能自适应吸收器构成，吸收器采用周向均布的仿生尾鳍直接将水面载体的升沉运动自适应转化为波浪能吸收器高效连续旋转,可大幅提高效率。课题组以所提出的新型波浪能装置为研究对象，项目研究内容涉及海洋工程、仿生学、机械工程和控制工程等多个学科交叉，对其波浪能自适应吸收机理、水动力学特性和能量转换特性进行了深入系统研究，建立了一套波浪能转换装置原理方案和关键工作特性分析的设计理论体系，并通过试验验证了理论的正确性,主要创新点如下：.（1）研究了鱼鳍高效推进机理，提出了一种基于垂荡运动的仿生微小波浪能转换方案，研究了其工作机理，设计了基于垂荡运动的自适应反转式波浪能转换装置。.（2）采用线性动量理论建立了水下吸收器数学模型，通过线性波理论和弗汝德-克雷洛夫假定法计算得到了最优浮体方案，预测了水下吸收器的转换功率，研究并得到了该转换装置的能量转换特性。.（3）提出了波浪能转换装置的电能转换功率匹配策略，建立了电能转换系统数值计算模型，分析并得到了该电能转换系统的功率和效率特性。.（4）研制了共4代自适应反转式波浪能转换装置的原理样机，通过静水环境实验和造波池实验验证了水下吸收器的波浪能转换原理，并对转换装置的转换效率和发电功率进行了实验研究。目前第四代样机发电功率可达到6.36W，发电效率可达到11.87%，并实现了在实验室为锂电池充电。.项目的研究为新型微小型波浪能装置的研制提供了理论和实验依据，为下一步工程样机的定性及定量研制奠定了坚实的基础，军事和经济意义重大。项目培养了博士研究生4人，硕士研究生1人；课题组成员在研究期间发表了SCI论文3篇，EI论文10篇，获得已授权发明专利2项。