高阻尼涡激振动增强机理研究

Vortex-induced vibration (VIV) is a well-known fluid flow phenomenon studied in multiple engineering disciplines and typically sought to be minimized. However, a promising new technology that utilizes VIVs in water to extract energy from water flows in oceans and rivers has recently been proposed. The VIV based power generating system is based on the idea of maximizing rather than spoiling vortex shedding and exploiting rather than suppressing VIV. Our project seeks to enhance VIV to maximize energy harnessing at high damping while maintaining a high VIV amplitude and synchronization range. The method of dimensional analysis will be used to analyze the interaction between water flow, oscillator and power take-off for energy extraction, and the similarity laws that should be followed in the small scale laboratory experiments will be established. An experimental apparatus for simulating the interaction between water flow, oscillator and power take-off will be thereby designed and constructed. Considering the flow velocity is low and the flow direction is variable for water flows in oceans, theoretical analysis, model tests and numerical computations will be performed to obtain the effect of the various parameters on the hydrodynamic performance of VIV energy converter. The relationship between flow field, vortex shedding mode, vortex strength, fluid force, response of the oscillator and energy extraction will be investigated. The effective parameter optimization measures will be proposed for enhancing VIVs by pushing oscillation as close possible to its self-limiting amplitude over the entire range of nonlinear resonance while adding electrical resistance for optinal energy generation. Based on the research above, the design method for the vibrating body structure will be explored. Finally, the application of VIV energy converter in china seas will be discussed.

涡激振动水生清洁能源是一种基于最大限度增强和利用涡激振动这样一个全新概念，从水流中提取能量的新能源技术。本项目将采用量纲分析方法对水流、振动体、能量转换装置负载之间的动力耦合作用进行分析，确定在实验模拟中应遵循的相似准则，在此基础上研制实验模拟装置；针对海洋中水流流速较低、流向多变的特点，通过理论分析、模型试验和数值计算，得到各项参数对涡激振动能量转换装置水动力性能的影响规律，研究振动体周围流场变化、旋涡脱落模式、旋涡强度、流体力与振动响应和能量提取之间的关系，提出有效的参数优化措施，增强涡激振动，以便在维持较大振幅和频率锁定范围的同时使能量提取最大化；在上述研究基础上，提出振动体模块结构设计方法，探讨涡激振动能量转换装置在我国海洋中的应用。

涡激振动水生清洁能源是一种利用水中涡激振动现象从流场中提取水流能量的新兴清洁能源技术。涡激振动能量转换装置能够适应低速水流条件，因而能够广泛应用于河流、海洋和其他水流上，开展本项目研究对我国可再生清洁能源的开发利用具有重要的科学意义和工程意义。. 本项目首先从涡激振动、能量传递、电能转换三个方面对能量转换装置的工作机理进行理论分析，提取出相关的影响参数，应用量纲分析方法对水流、圆柱、发电机之间的动力耦合作用进行分析，确定实验模拟中应满足一致的相似参数。在此基础上研制实验模拟装置，并在波流水槽内开展能量转换装置水动力及功率特性的实验研究，获得了流体力系数、振动响应、能量转换功率及效率随流速的变化规律。考虑到在实际海洋或河流中，由于各种因素的影响，水流速度容易发生变化，实验针对由于流速变化所引起的迟滞现象进行了研究，揭示出流速从小到大递增和流速从大到小递减两种情形下装置振动响应、发电机输出功率和能量转换效率随流速变化的不同特性。此外，本项目对振动体的截面形状进行了改进，模型试验结果证实将振动体由传统的圆柱改变为T形柱可以增强涡激振动，降低起振流速，提高能量转换效率，从而拓展了能量转换装置的应用空间。. 针对能量转换装置在进行能量传递和转换过程中会对涡激振动系统引入较高的阻尼，建立了高阻尼涡激振动数学模型，利用该数学模型通过对质量比和阻尼比等重要参数对振动响应及能量转换效率影响的细致研究，揭示出质量比、阻尼比和质量-阻尼参数对频率锁定的发生、产生较大能量转换效率的无量纲流速范围、最大能量转换效率等的影响规律。为了进一步改进能量转换装置，增强其能量效率，结合RNGk-ε湍流模型，建立涡激振动流固耦合数值模型，运用流固耦合数值模拟方法研究不同质量比、不同阻尼比柱体在不同流速下的涡激振动特性，分析其周围流场、振动响应以及尾流脱落形态，并探讨流速、阻尼比和质量比对涡激振动特性和获能效率的影响。.在本课题的资助下，共发表学术论文10篇，其中SCI收录1篇，EI检索2篇，获国家专利授权1项。