王文婷，李佳冀，呂艷芳

（1.中國船舶集團有限公司第703研究所，黑龍江 哈爾濱 150000；2.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

引言

利用流體流經細長體結構時產生渦激振動進行發(fā)電是一種適于在較低流速環(huán)境下的低成本潮流能發(fā)電方式。雖然目前對渦激振動獲能原理發(fā)電的開發(fā)還處于初級階段，但是已有一些實驗室和團隊在VIV發(fā)電裝置的研究方面取得了一定的成果。實際工程中，如果要大規(guī)模開發(fā)利用低速河流中的水動能，系統(tǒng)的振子數(shù)目不應局限于一個，而應考慮多振子系統(tǒng)以提高水動能的獲能效果。同時，對于多圓柱振子系統(tǒng)，如果不對各圓柱振子之間加以限制，那么各圓柱就會發(fā)生不等幅自由振動，振動頻率也各不相同，需要配備發(fā)電機數(shù)目就要與振子數(shù)目保持一致，成本會大大增加。Bernitsas團隊基于其開發(fā)的VIVACE，探討了圓柱振子渦激振動發(fā)電的功率與效率的關系，得出發(fā)電的功率與取決于振子振幅與頻率的乘積[1-2]，如式（1）所示。

式中：P為發(fā)電功率；ζ為阻尼比；mosc為振子振動質量；ma為附加質量；A為振動振幅；fosc為振動頻率；fn為自振頻率。該結果得到Lian等人[3]通過試驗的正確性驗證，并且進一步指明了該公式也適用于任意截面的柱體（包括非圓柱）。由此得知，對于渦激振動發(fā)電設備，振子振幅越大、頻率越高越有利于發(fā)電裝置系統(tǒng)的能量利用。以下給出基于上式分析的振子數(shù)量和截面形狀對發(fā)電裝置俘能的影響結果。

1 圓柱截面振子

1.1 單柱渦激振動俘能

Bernitsas教授[2]研發(fā)的一種將流體動能轉化為振子機械能再轉化為電能的渦激振動發(fā)電裝置VIVACE，其中設置的單圓柱振子的直徑為1m，長度為20m，該振子的能量轉換效率能達到22%，實際功率為6.84kW。Liu和Bernitsas等人[4]對來流速度為0.38m/s

Sun等人[5]針對質量比、阻尼比和彈簧剛度對單圓柱流致振動俘能的影響進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)當來流速度在0.4m/s

Franzini和Bunzel[6]對單圓柱振子渦激振動壓電俘能進行了數(shù)值分析研究，發(fā)現(xiàn)單圓柱振子在雙向振動時，其俘能效率要比單向振動時大，但是振子在流向振動所獲取的能量要遠比橫向振動時小。因此一般只研究振子的橫向振動而忽略其流向振動。

1.2 雙柱渦激振動俘能

Sun等人[7]將雙柱間距和彈簧剛度作為影響因素，通過實驗研究得出了串列雙柱水動能轉化的情況。對于大部分的渦激振動階段，當雙柱的間距比L/D小于1.75時，將會產生系統(tǒng)的最優(yōu)俘能功率，在VIV初始分支范圍內，較小的彈簧剛度就可以獲得較高的俘能功率，而在上端分支處選擇較大的彈簧剛度才能達到目的，這與Lee和Bernitsas[8]得出的結論一致。但是在上端分支的末端，最優(yōu)俘能功率會隨間距比的增大而增大。綜上所述可知在較大流速下，若取過小的兩柱間距，柱體之間的相互作用會對流體流動產生影響，進而對系統(tǒng)俘能產生抑制作用。此外，雙柱系統(tǒng)的俘能效率和功率相比單柱都要高，并且隨著裝置阻尼比的增加，雙柱的俘能功率和效率都會大幅增加。

宋汝君[9]對并列式和串列式兩種雙圓柱型壓電俘能器進行了研究，并對兩種渦激振動俘能系統(tǒng)建立了數(shù)學模型，通過水槽模型實驗發(fā)現(xiàn)，隨著流速的增大，串列式上游圓柱的輸出功率會在渦激共振時達到最大，下游俘能器也有同樣趨勢，但是減小較緩慢。當間距比L/D<3.33時，隨著間距比的增大，串列式圓柱的發(fā)電功率均有所下降，并列式雙柱的發(fā)電功率同樣也會隨著流速的增大而先增大后減小，同時，發(fā)電功率也會隨著間距比的增大而下降。

1.3 多柱渦激振動俘能

通過對多振子機械耦合系統(tǒng)渦激振動發(fā)電情況的數(shù)值分析，羅竹梅[10-11]發(fā)現(xiàn)小間距比時，俘能功率及功率密度都比較小，而當間距比增大到某一值后，系統(tǒng)的俘能功率開始趨于穩(wěn)定，功率密度隨之減小。同時，認為m*ζ控制俘能效率最優(yōu)值的大小，所以存在一個最優(yōu)的m*ζ，能夠使俘能效率達到最大，這一點與Barrero-Gil等人[12]的結論一致。

Kim和Bernitsas[13]研究了圓截面多柱體渦激振動的俘能情況，并且對其流致振動水動能轉換裝置進行了性能預報。研究發(fā)現(xiàn)當來流速度處于0.8m/s

以上分析都是對圓形截面振子的研究結果，但是對渦激振動發(fā)電系統(tǒng)俘能的研究并非僅局限于此，也開展了截面形狀為棱柱等其他形狀的多振子系統(tǒng)的研究，其中包括三棱柱、四棱柱、橢圓柱等形狀，以四棱柱研究為主。

2 棱柱截面振子

2.1 四棱柱振子

自Den Hartog之后，Williamson[14]等人開展了一系列針對四棱柱振子系統(tǒng)的馳振研究。1961年，Parkinson[15]預測了四棱柱的馳振響應。隨后，Parkinson[16]與Bearman[17]等人又將該理論方法運用在后續(xù)的模型試驗與細長體結構的流致振動俘能研究中。Lee等人[18]則運用k-ε模型預測了正四棱柱的馳振不穩(wěn)定性。Manzoor[19]得出了質量會影響四棱柱從渦激振動向馳振的轉變方式。Nemes和Zhao[20-21]等人進行了與Williamson開展的正四棱柱試驗相似的研究內容，研究結果表明：來流角度為0°時，正四棱柱產生馳振，來流角度為45°（Diamond形態(tài)）時，正四棱柱產生渦激振動；來流角度在10°-15°時，正四棱柱振動出現(xiàn)高于上部分支的更高分支。天津大學燕翔等[22]做了一系列關于四棱柱振子的實驗，其中實驗裝置如圖1所示，振子截面為正方形，為減小裝置兩側邊界條件的影響和防止?jié)B漏，兩端分別安裝了直徑15cm的圓形端板。振子長0.5m，邊長0.06m，附加質量ma為1.80kg。模型由有機玻璃制成，內部中空，可填充或減少配重。

圖1 實驗裝置

圖2 等邊三棱柱的振動系統(tǒng)

對實驗結果分析發(fā)現(xiàn)，從能量角度出發(fā)，可以通過控制正方形截面振子的來流角度實現(xiàn)大范圍流速下的能量汲?。寒斄魉佥^低時，增加角度可以使振子達到渦激振動，從而實現(xiàn)振動能量的汲?。划斄魉佥^高時，控制θ=0°，可以使振子達到馳振，從而實現(xiàn)振動能量的汲取。通過調整振子的角度，可有效提升四棱柱振子發(fā)電裝置適用發(fā)電的流速范圍。

2.2 三棱柱振子

Zhang和Liu等人[23]針對三棱柱振子系統(tǒng)在不同阻尼比下的流致振動機理和俘能原理開展了一系列實驗，實驗在天津大學的循環(huán)水槽進行。該水槽的測試部分寬1m，深1.5m。水槽中的水由90kW變頻電機驅動的葉輪強制，提供的流速范圍為0至約1.6m/s，對應的雷諾數(shù)從0 到 1.29×105。

實驗裝置如圖2所示，測試棱鏡安裝在兩側的支柱上，并使用直線軸承約束振子沿y方向的（垂直于流動方向）位移。兩側支柱由硬鋁板制成，每側支柱的尺寸為1.51×0.1×0.006m，重量為 1.616kg。側支柱，動力輸出系統(tǒng)和直線軸承通過拉伸彈簧與懸掛的連接結構剛性連接。此外，彈簧的上、下端固定在垂直點上，保持彈簧處于垂直狀態(tài)。在測試過程中彈簧總是處于張緊狀態(tài)。實驗中的等邊三角形棱鏡由聚甲基丙烯酸甲酯制成，尺寸為0.18×0.11×0.01m的端板連接在棱鏡的兩端，振蕩器安裝在兩側的支柱上。在水通的壁和側支柱之間保持34mm的間隙。等邊三角形棱柱的橫截面長度為0.1m。其中一個側邊面朝向入射流放置，因為當三角形底部面向流動時，三角形截面棱鏡易于發(fā)生不穩(wěn)定。

對一系列截面振子的研究發(fā)現(xiàn)，采用不同形狀的橫截面的振子對發(fā)電裝置的發(fā)電效率有很大影響。燕翔等[24]的研究指明，在圓柱、正三棱柱、正四棱柱的流致振動響應中，有利于能量汲取的截面振子為圓柱與正三棱柱。其中，圓柱有利于渦激振動的能量汲取，而三棱柱則有利于馳振的能量汲取。對于兩種非圓柱渦激振動方面，當來流角度為0°時，正三棱柱與正四棱柱的能量水平相當；馳振響應方面，正三棱柱則顯著優(yōu)于正四棱柱。在不同來流角度下正四棱柱振子系統(tǒng)的流致振動響應差異較大，即當流速較低時，通過提高θ（可控制θ=45°），可達到振子的渦激振動響應；當流速較高時，控制θ=0°，可實現(xiàn)振子的馳振響應，保證能量的汲取。要獲得不同來流角度下不同截面形狀和振子數(shù)量對發(fā)電裝置流致振動的影響規(guī)律還有待進一步深入研究。

3 結論

渦激振動及其能量利用的研究已經取得了長足的進步，一系列渦激振動能量轉化裝置相繼被提出，本文總結了現(xiàn)有單、雙、多振子及不同截面的渦激振動發(fā)電裝置的俘能情況，分析得出了影響發(fā)電裝置俘能功率的主要參數(shù)，分析給出了在不同環(huán)境條件下，振子截面形狀和數(shù)量的最優(yōu)俘能條件，為未來渦激振動發(fā)電裝置在潮流能的利用方面提供了技術參考。

同樣，電磁俘能方式能量密度更優(yōu)，可獲得的能量更大，且具有很好的靈活性和可擴展性，產業(yè)化前景更為廣闊，應同時予以關注。