电磁耦合下流致振动能量转化机理与特性研究

摘要

在众多的海流发电设备中，流致振动海流发电设备因其启动流速低、能量密度大等优势表现出比传统海流发电装置更优的利用前景。不过目前，流致振动发电的研究大多针对振子的振动特性及压电材料的开发，很少涉及电磁式的发电机。为此，本文引入了电磁发电机，从理论与试验两个方面系统研究了电磁式流致振动发电机的获能原理，并深入分析了电机参数、机械参数及振子截面参数对三棱柱振动模式、能量利用的影响。本文的研究内容旨在全面阐释电磁式流致振动发电机的能量汲取机理与特性，为该类设备的原型机设计提供有力参考。具体的研究工作及取得的主要成果如下：
　　（1）首次建立了电磁耦合下的水力-振子-电机-负荷耦合动力模型（The CombinedModel ofHydraulic,Oscillator,Generator andResistance,HOGR），推导了发电效率的理论表达式，分析了影响效率的因素，并针对固定励磁发电机提出了效率预测方法与发电机选配原则。
　　（2）进行了正四棱柱的流致振动试验研究，分析了来流角度、刚度、质量参数对振动的影响。对比了正四棱柱与现有正三棱柱的响应差异，明确了三棱柱在流致振动能量利用上的优势，并确定了后续的研究内容围绕三棱柱开展。
　　（3）对试验水槽的升、降流速进行了全面的测试与分析，并介绍了固定励磁的三棱柱流致振动发电模型。实现了阻尼、刚度、质量及截面高宽比的变化，并通过自由衰减试验进行了验证。
　　（4）进行了三棱柱流致振动试验研究，指明了软、硬驰振的完整响应，揭示了阻尼、刚度、质量及截面高宽比变化下三棱柱振动模式的演化规律，并讨论了有利于能量灵活利用的参数配比。结果表明：软驰振存在可自激励诱发驰振的诱发区间，涡激振动分支不完整，而硬驰振不存在诱发区间，只存在可由外界诱发驰振的临界流速，涡激振动分支完整；阻尼与质量的增大或刚度与截面高宽比的减小会使得涡激振动分支的振幅降低，从而使得振动模式由软驰振演化硬驰振；大刚度、大高宽比及小质量有利于提高三棱柱能量汲取的灵活度。
　　（5）进行了固定励磁电机下三棱柱流致振动的发电试验研究，确定有利于发电的优势分支，分析了负荷电阻、刚度、质量及截面高宽比对三棱柱发电效率的影响，提出了有利于提高发电效率的振动模式与参数要求。结果表明：三棱柱的发电优势分支包括涡激振动上部分支、涡激振动-驰振转化分支及驰振分支；不同发电机下的发电效率随负荷电阻的表现规律所差异；增大刚度，减小质量，会使得涡激振动分支、涡激振动-驰振转变分支及低流速驰振分支的发电效率提升，但这会使得高流速驰振的发电效率降低；增大截面高宽比，则有利于涡激振动分支的最大发电效率的增大，但不利于驰振发电效率的增大；对固定励磁发电机，应保证三棱柱处于临界驰振状态，从而有利于综合发电效率的提升。
　　（6）分析了HOGR模型中励磁变化对系统物理参数及发电机参数的影响。引入了可变励磁的发电机，并进行变励磁下三棱柱流致振动与能量汲取的试验研究。结果表明：励磁增大，系统阻尼升高，上限能量利用率升高；随励磁增大，三棱柱振动模式由软驰振演化为硬驰振；涡激振动分支内，励磁升高会使得发电效率先增大再减小，而驰振分支内，只要驰振不抑制，励磁的升高会使得发电效率持续增大；改变励磁可实现硬驰振能量的灵活利用，相较于固定励磁发电机在临界驰振状态下的发电效率，其数值可提高20％~50%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 流致振动的研究现状

1.3 流致振动能量汲取的研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 水力-振子-电机-负荷耦合动力模型

2.1 HOGR耦合动力模型

2.2 HOGR系统的功率与效率

2.3 效率的影响因素与解耦

2.4 发电机的选配

2.5 小结

第3章 正四棱柱的流致振动试验研究

3.1 试验设备、模型与参数

3.2 不同来流角度下正四棱柱流致振动响应

3.3 刚度与质量对正四棱柱流致振动的影响

3.4 正三棱柱与正四棱柱的响应对比

3.5 小结

第4章 三棱柱流致振动试验设备、模型与参数验证

4.1 试验水槽与流速测定

4.2 振动模型

4.3 系统参数的改变与验证

4.4 小结

第5章 三棱柱流致振动模式及其演化规律

5.1 三棱柱流致振动的完整响应

5.2 机械参数对振动模式的影响

5.3 截面高宽比对振动模式的影响

5.4 能量利用与参数选择

5.5 小结

第6章 固定励磁发电机的三棱柱发电效率分析

6.1 分析指标与计算方法

6.2 三棱柱振子的优势发电区域

6.3 影响发电效率的参数

6.4 小结

第7章 励磁变化对流致振动发电特性的影响

7.1 HOGR系统中的励磁

7.2 变励磁发电机的物理模型

7.3 励磁变化下三棱柱的振动响应与能量汲取

7.4 励磁在三棱柱发电系统中的意义

7.5 小结

第8章 结论与展望

8.1 结论与创新点

8.2 展望

参考文献

附录 A

发表论文与参加科研情况

致谢