基于涡激振动原理的人工肌肉潮流能发电装置基础研究

针对我国沿海大部分地区潮流流速偏低的状况，提出了基于涡激振动原理的人工肌肉潮流能发电装置的概念。该装置采用振子在潮流中的涡激振动现象来实现海水动能向装置运动件动能的高效转化，并利用介电弹性体人工肌肉电致动特性的反现象将振子的动能直接转化为电能。本项目将从原理上探讨有阻尼条件下装置振子在流体作用下的涡激振动特性，通过理论分析、数值模拟和模型试验得到各项参数对其水动力学特性的影响规律，对参数进行优化，合理选择结构参数，尽可能增大涡激振动的振幅，降低起振流速等，达到优化性能指标的目的；研究介电弹性体人工肌肉的发电性能，探索人工肌肉在潮流能发电装置中的应用方式，得出其与涡激振动装置的功率匹配关系；在参数优化的基础上进行结构设计，制作发电装置小型样机。

本项目针对我国沿海大部分地区潮流流速偏低、深度较浅的状况，提出了一种基于涡激振动原理的人工肌肉潮流能发电装置的新构想。该装置采用振子在潮流中的涡激振动现象来实现海水动能向装置运动件动能的高效转化，并利用非线性介电弹性体人工肌肉电致动特性的反现象将运动件的动能直接转化为电能。.从涡激振动现象的原理出发，通过对涡激振动潮流能转换装置的设计建立其简化的物理模型，并进一步借助半经验尾流振子模型建立起振动系统的数学模型。对涡激振动潮流能转换装置建立物理模型、半经验数学模型、实验样机模型，基于有限元分析软件ADINA进行非线性流固耦合数值模拟，分别建立流场域和结构域，选用适当的有限元分析方法，利用ADINA软件进行不同参数变量下的二维流固耦合数值模拟，得到不同流速、不同刚度、不同振子直径以及不同阻尼形态下的振动响应。.另一方面，通过理论计算和实验研究得到介电弹性体的发电过程和涡激振动的获能原理；根据介电弹性体的发电原理和过程，设计了圆环形状的发电单元模型，通过实验的测试进行优化发电单元的内外框直径以及介电弹性体薄膜预拉伸倍率等参数，并在涡激振动获能装置的基础上进行结构改进，使介电弹性体发电单元与涡激振动获能装置结合起来，使潮流能能够通过涡激振动获能装置带动介电弹性体换能单元发电模块循环工作进行发电。.基于对介电弹性体的发电原理的研究，对换能单元进行了设计，对参数进行了计算和优化，确定了介电弹性体在涡激振动获能装置上发电的设计方法和设计思路。.在实验室条件下，对有无非线性换能单元阻尼情况分别进行水槽实验，最终完成潮流能转换装置阻尼条件下圆柱振子的涡激振动现象研究。结合数值模拟结果及参数设置，完成了样机水槽实验，分别记录了有无非线性换能单元阻尼时，各个变量条件下振动的最大振幅结果，振子的振动频率结果。通过对实验结果的整理，又反过来验证了数值模拟方法的可靠性。.通过对潮流能转换装置阻尼条件下圆柱振子涡激振动现象的系列研究，理论与实际相结合验证了该装置获能的可行性，初步揭示了各变量参数之间的匹配范围。为这种新型潮流能转换装置的进一步研究以及最终的工程应用奠定了有意义的理论基础。