正三棱柱流致振动和能量转化试验研究

摘要

流致振动广泛存在于海洋工程、航空工程、高耸建筑和大跨桥梁等工程领域中。旋涡脱落诱发的涡激振动和攻角变化引起的驰振是工程领域中最常见的流致振动现象。流致振动既能够引起破坏性的振动事故，也可以造福于人类。涡激振动水生清洁能源系统（VIVACE）将圆柱涡激振动与能源利用相结合，使这种潜在的破坏性现象得到了有效的利用。为提高VIVACE装置的发电效率和适用流速范围，首次在水槽中开展了一系列非圆形截面柱体的流致振动试验，并重点考察了弹性支撑正三棱柱流致振动特性及发电性能。本文所做的工作及取得的主要成果如下：
　　（1）针对不同截面形状柱体开展流致振动试验，揭示了各截面柱体的流致振动特性，发现正三角形截面柱体的振幅响应最为强烈且有稳定的响应频率，其流致振动特性有利于流速较大且不稳定环境下的能量提取。
　　（2）研究了系统刚度对正三棱柱流致振动特性的影响，发现系统刚度的变化改变了相同折合流速下柱体的尾流模式，进而影响柱体的振幅与频率响应规律。正三棱柱响应振幅随流速单调增加，振动响应区间分为涡激振动分支、涡振-驰振转变分支和驰振分支。涡激-驰振转变分支中，振幅突增并伴有频率跳跃性下降；涡振上端分支和驰振分支中，柱体振动存在“锁频”现象。柱体起振的折合流速、振幅比及频率比随刚度的增加而减小。
　　（3）为研究系统阻尼比对正三棱柱流致振动特性和发电性能的影响，推导了振动系统的平动-转动联合运动方程，阐述了柱体总振动质量的构成及结构阻尼系数与电机负载电阻的关系。在此基础上，设计了变阻尼装置。
　　（4）针对不同系统阻尼比下的正三棱柱开展流致振动试验，揭示了柱体的流致振动特征和发电性能随阻尼比的变化规律：所有分支内柱体的振幅比随系统阻尼比的增加而减小；驰振分支内柱体的发电功率和效率随系统阻尼比的增加而增大。此外，随阻尼比的增加，柱体的驰振依次表现为软驰振、Ⅱ型硬驰振和Ⅰ型硬驰振。最优发电阻尼比为柱体发生驰振所能克服的最大系统阻尼比。以正三棱柱为振子的发电装置的最大发电功率为53.56W、最大发电效率达到40.44％，超过了圆柱的上限发电功率和效率。最大功率和效率出现在柱体驰振分支。
　　（5）研究了Re数对弹性支撑正三棱柱流致振动特性及发电性能的影响，发现较高的Re数有利于柱体克服更大的阻尼并获得更高的响应振幅比，从而提高流致振动发电装置的单机容量和能量转化的效率。
　　综上所述，弹性支撑正三棱柱的流致振动具有较大的振幅、稳定的频率，良好振动稳定性及“非自限制”等特点，以正三棱柱为振子的发电装置在适用流速范围、单机容量、能量转化效率和发电质量等四个方面远超以圆柱为振子的发电装置。本文的研究成果对提高VIVACE装置的实际使用价值具有十分重要的意义。

目录

声明

第一章 研究现状

1.1 研究背景

1.2 圆柱涡激振动研究现状

1.3 非圆形截面柱体流致振动研究现状

1.4 流致振动能量收集系统

1.5 本文研究内容

第二章 流致振动理论基础与试验装置

2.1 理论基础

2.2 试验装置及振子模型

2.3 本章小结

第三章 不同截面柱体的流致振动试验研究

3.1试验装置与振子模型参数

3.2 试验结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 系统刚度对正三棱柱流致振动的影响

4.1 试验装置与模型参数

4.2 试验结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 系统阻尼比对正三棱柱流致振动及能量转化的影响

5.1 变刚度实现变阻尼比

5.2 变阻尼系数实现变阻尼比

5.3 本章小结

第六章 雷诺数对正三棱柱流致振动和能量转化的影响

6.1 试验装置及振子模型参数

6.2 振幅和频率响应

6.3 发电功率和效率

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论与创新点

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢