潮流能轉(zhuǎn)換裝置阻尼條件下圓柱振子渦激振動現(xiàn)象研究.pdf

1、潮流能是一種擁有較高的可預(yù)測性及較好的能量密度的綠色可再生能源，具有大規(guī)模開發(fā)和利用的潛力。針對我國沿海大部分地區(qū)潮流流速偏低、深度較淺的狀況，基于渦激振動原理的人工肌肉潮流能發(fā)電裝置的新構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。該裝置采用振子在潮流中的渦激振動現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)海水動能向裝置運(yùn)動件動能的高效轉(zhuǎn)化，并利用非線性介電彈性體人工肌肉電致動特性的反現(xiàn)象將運(yùn)動件的動能直接轉(zhuǎn)化為電能。本文從渦激振動現(xiàn)象的原理出發(fā)，對渦激振動潮流能轉(zhuǎn)換裝置建立物理模型、半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

2、、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)模型，基于有限元分析軟件ADINA進(jìn)行非線性流固耦合數(shù)值模擬，對有無非線性換能單元阻尼情況分別進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，最終完成潮流能轉(zhuǎn)換裝置阻尼條件下圓柱振子的渦激振動現(xiàn)象研究。
　　本文首先簡單介紹了當(dāng)前國內(nèi)外潮流能轉(zhuǎn)換裝置的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者對渦激振動現(xiàn)象進(jìn)行的理論計(jì)算研究、數(shù)值模擬方法和結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)探索。然后通過對渦激振動潮流能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)建立其簡化的物理模型，并進(jìn)一步借助半經(jīng)驗(yàn)尾流振子模型建立起振動系統(tǒng)

3、的數(shù)學(xué)模型。接下來，分別建立流場域和結(jié)構(gòu)域，選用適當(dāng)?shù)挠邢拊治龇椒ǎ肁DINA軟件進(jìn)行不同參數(shù)變量下的二維流固耦合數(shù)值模擬，得到不同流速、不同剛度、不同振子直徑以及不同阻尼形態(tài)下的振動響應(yīng)。最后，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及參數(shù)設(shè)置，完成了樣機(jī)水槽實(shí)驗(yàn)，分別記錄了有無非線性換能單元阻尼時(shí)，各個(gè)變量條件下振動的最大振幅結(jié)果，振子的振動頻率結(jié)果。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理，又反過來驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。綜上所述，研究得出阻尼的改變會對渦激振動現(xiàn)

4、象的振幅響應(yīng)和頻率響應(yīng)都產(chǎn)生改變:增加阻尼會使振幅減小，使頻率變化減緩。當(dāng)加入非線性阻尼時(shí)，振動位移曲線周期會隨著非線性阻尼的特性改變;本文中的潮流能轉(zhuǎn)換裝置受各種參數(shù)變量的影響，當(dāng)約化速度在5～8范圍內(nèi)時(shí)，振動效果最好，系統(tǒng)彈簧鋼度最佳值為250N/m，系統(tǒng)發(fā)生自激振動的頻率比基本鎖定在0.9～1.2Hz之間。水流流速范圍在0.55～0.75m/s范圍內(nèi)時(shí)就可以滿足本樣機(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用的條件。
　　本文通過對潮流能轉(zhuǎn)換裝置阻尼條