被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

徐建安, 孫洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

徐建安, 孫洪雨

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)葉片式水輪機(jī)在潮流能量獲取過程中存在的問題，提出一種模仿水中生物尾部擺動(dòng)的被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取技術(shù)。在分析水翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和功率系數(shù)、效率、折算頻率等各參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取實(shí)驗(yàn)裝置；在三套正反向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用下，被動(dòng)式擺動(dòng)水翼實(shí)現(xiàn)了兩自由度周期循環(huán)，利用飛輪克服曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中存在的死點(diǎn)問題，利用扭矩傳感器實(shí)現(xiàn)了輸出軸的轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)矩信號提取；循環(huán)水槽環(huán)境下完成了被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量獲取實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能夠進(jìn)行潮流能量獲取，當(dāng)折算頻率為0.096時(shí)，最高能量獲取效率達(dá)到18%。

關(guān)鍵詞：潮流能；擺動(dòng)水翼；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；兩自由度；能量獲取；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；功率系數(shù)；折算頻率

伴隨著石油和煤炭等化石燃料的過度消耗，像海洋能、風(fēng)能、太陽能等清潔再生能源的開發(fā)利用越來越受到世界各國的重視[1]。潮流能作為海洋能的重要形式，與風(fēng)能和太陽能相比，具有能量密度大、對環(huán)境污染小、變化有規(guī)律、可預(yù)測性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。目前，對潮流能的開發(fā)，多為利用旋轉(zhuǎn)葉片的水輪機(jī)進(jìn)行潮流能量捕獲，然而這種潮流能捕獲方式存在占地面積大、噪聲大、對周圍海洋生物產(chǎn)生影響等問題[4]。海洋中的生物，如金槍魚、鯊魚等，利用尾鰭的擺動(dòng)從周圍的流體中獲得能量實(shí)現(xiàn)游動(dòng)，具有能量獲取效率高、噪聲低、水動(dòng)力特性好等特點(diǎn)[5]。受此啟發(fā)，本文開展了一種利用被動(dòng)式擺動(dòng)水翼實(shí)現(xiàn)潮流能量捕獲技術(shù)研究，與利用旋轉(zhuǎn)葉片的水輪機(jī)潮流能量捕獲方式相比，具有對海洋環(huán)境及海洋生物影響小、翼片結(jié)構(gòu)簡單、捕能效率高、可在河流等淺水中應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[6]。

對于利用擺動(dòng)水翼進(jìn)行潮流能量獲取，美國蒙特利海軍研究生院開展了單翼片擺動(dòng)水翼潮流能量捕獲實(shí)驗(yàn)，表明最大輸出功率與擺動(dòng)頻率和俯仰幅度的適當(dāng)組合有關(guān)系，對雙翼片水翼進(jìn)行了流體數(shù)值仿真分析，預(yù)計(jì)效率達(dá)到40%，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果差距較大[7]。英國工程商業(yè)公司通過液壓系統(tǒng)改變擺動(dòng)水翼有效攻角，研制了150kW半主動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量捕獲實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了河流實(shí)驗(yàn)，最高捕能效率達(dá)到11.5%[8]，Kinsey等[9]進(jìn)行了2D和3D仿真分析對比，分析了不同折算頻率對擺動(dòng)水翼捕能的影響。近年來，國內(nèi)也開展了利用擺動(dòng)水翼進(jìn)行潮流能量獲取的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究，于海等[10]利用兩端的彈性碰頭改變擺動(dòng)水翼攻角，對水平方向運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)水翼進(jìn)行了循環(huán)水槽環(huán)境下的潮流能量獲取實(shí)驗(yàn)研究，開辟了國內(nèi)擺動(dòng)水翼潮流能量獲取研究的先河，王勇[11]通過液壓驅(qū)動(dòng)改變擺動(dòng)水翼攻角的方式，對豎直方向運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)水翼進(jìn)行了能量獲取能力仿真分析，Xie Yonghui等[12]研究了擺動(dòng)水翼的能量獲取能力與效率、折算頻率和水翼俯仰角度之間的關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)水翼能量獲取過程，設(shè)定擺動(dòng)水翼升沉和俯仰兩個(gè)自由度按照正弦規(guī)律變化，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)改變水翼攻角，以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)水翼的周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在分析水翼運(yùn)動(dòng)過程中的功率、功率系數(shù)、折算頻率等各參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取裝置，在循環(huán)水槽環(huán)境下進(jìn)行了擺動(dòng)水翼潮流能量獲取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出擺動(dòng)水翼潮流能量獲取功率和來流速度、折算頻率等參數(shù)之間的關(guān)系。

1擺動(dòng)水翼水動(dòng)力分析

按照潮流能量獲取方式，擺動(dòng)水翼分為被動(dòng)式、半主動(dòng)式和主動(dòng)式3種[13]。本文為了驗(yàn)證擺動(dòng)水翼的潮流能量獲取能力，采用被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取方式。

1.1被動(dòng)式擺動(dòng)水翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

忽略被動(dòng)式擺動(dòng)水翼在運(yùn)動(dòng)過程中的變形和橫向移動(dòng)，視水翼在流場中的運(yùn)動(dòng)為剛體運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)式擺動(dòng)水翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖1所示。將擺動(dòng)水翼在流場中的運(yùn)動(dòng)分解為升沉運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)的二自由度運(yùn)動(dòng)，升沉運(yùn)動(dòng)指的是水翼在豎直方向上運(yùn)動(dòng)h(t)，俯仰運(yùn)動(dòng)指的是水翼的擺角運(yùn)動(dòng)θ(t)。為簡化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將擺動(dòng)水翼的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為兩種同頻率正弦運(yùn)動(dòng)的耦合，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為

(1)

式中：H0為擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)幅值，θ0為擺動(dòng)水翼俯仰角度幅值，f為擺動(dòng)頻率，φ為升沉運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)的相位差。

由擺動(dòng)水翼的耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，擺動(dòng)水翼的瞬時(shí)升沉速度νy(t)和瞬時(shí)俯仰角速度ω(t)為

(2)

基于擺動(dòng)水翼的耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律和來流速度，擺動(dòng)水翼的有效攻角α(t)定義為

(3)

式中：θ(t)為擺動(dòng)水翼瞬時(shí)俯仰角度，U∞為無限遠(yuǎn)處來流速度。

利用來流速度和水翼擺動(dòng)頻率，定義無量綱參數(shù)折算頻率f*為

(4)

式中：c為擺動(dòng)水翼的弦長，通過擺動(dòng)水翼運(yùn)動(dòng)時(shí)的有效攻角α(t)和折算頻率f*等參數(shù)可以分析被動(dòng)式擺動(dòng)水翼的潮流能量獲取功率和效率。

圖1　擺動(dòng)水翼的運(yùn)動(dòng)模型Fig.1　Kinetic model of oscillating hydrofoil

1.2被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量獲取效率分析

設(shè)計(jì)采用NACA0015型對稱水翼，均勻流場環(huán)境下的來流可獲取流體運(yùn)動(dòng)能量為

(5)

式中：ρ為來流的密度，b為水翼的展長，d為擺動(dòng)水翼在豎直方向上最大升沉幅度。

被動(dòng)式擺動(dòng)水翼運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)能量獲取功率定義為

(6)

式中：Py(t)為水翼通過升沉運(yùn)動(dòng)獲取的功率，Pθ(t)為水翼通過俯仰運(yùn)動(dòng)獲取的功率，F(xiàn)y(t)為升沉方向上流體對水翼的作用力，M(t)為水翼繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)時(shí)流體對水翼的作用力矩,如圖2所示。

一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，擺動(dòng)水翼能量獲取的平均功率表達(dá)為

(7)

定義擺動(dòng)水翼升力系數(shù)CL、力矩系數(shù)CM和功率系數(shù)CP分別為

(8)

一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，擺動(dòng)水翼獲取的平均功率系數(shù)為

(9)

擺動(dòng)水翼的能量獲取效率表達(dá)為

(10)

因此，通過擺動(dòng)水翼潮流能量獲取功率系數(shù)CP(t)和能量獲取效率η可以描述擺動(dòng)水翼的能量獲取能力。

圖2　擺動(dòng)水翼的受力Fig.2　Forces on oscillating hydrofoil

1.3擺動(dòng)水翼數(shù)值模擬分析

采用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT對水翼周圍流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于區(qū)域運(yùn)動(dòng)代替單獨(dú)的翼片運(yùn)動(dòng)思想，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格模型，滑移網(wǎng)格交界面將流域劃分為內(nèi)部運(yùn)動(dòng)區(qū)域和外部靜止區(qū)域兩部分，兩部分通過滑移交界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，運(yùn)動(dòng)區(qū)域和翼片一起實(shí)現(xiàn)升沉和俯仰兩自由度的同步運(yùn)動(dòng)，具體網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分Fig.3　Details of meshing

利用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件Fluent對被動(dòng)式擺動(dòng)水翼在流場中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行水動(dòng)力仿真，通過Fluent提供的二次開發(fā)接口自定義函數(shù)User-Defined-Function來定義水翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)定水翼弦長c為0.22 m，展長b為0.65 m，升沉運(yùn)動(dòng)幅值H0為水翼弦長c，俯仰運(yùn)動(dòng)的幅值θ0為π/3，相位差φ為π/2，擺動(dòng)頻率f為0.7，通過式(4)，可知折算頻率f*為0.096, 設(shè)定無限遠(yuǎn)處來流速度U∞為1.6 m/s，設(shè)定俯仰軸線位于距翼型前緣點(diǎn)1/3處，當(dāng)?shù)降谖鍌€(gè)周期后輸出曲線趨于穩(wěn)定，取迭代第六個(gè)周期曲線進(jìn)行分析，得到擺動(dòng)水翼一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)能量獲取的升力系數(shù)和升沉速度，力矩系數(shù)和俯仰角速度，功率系數(shù)曲線分別如圖4～6所示。

圖4　升力系數(shù)和升沉速度Fig.4　Lift coefficient and heaving velocity

圖5　力矩系數(shù)和俯仰角速度Fig.5　Moment coefficient and pitching velocity

圖6　擺動(dòng)水翼的功率系數(shù)Fig.6　Power coefficient of oscillating hydrofoil

從圖4可看出，擺動(dòng)水翼的升力系數(shù)和升沉速度在周期內(nèi)變化趨勢一致，保持在同一方向變化，根據(jù)式(8)可知，擺動(dòng)水翼的升沉運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量獲取，從圖5可知，由于力矩系數(shù)較小且和俯仰角速度變化趨勢不一致，表明擺動(dòng)水翼俯仰運(yùn)動(dòng)只是用來改變水翼攻角，對能量的獲取起到了很小的作用，仿真曲線對比表明擺動(dòng)水翼的能量獲取主要來自升沉運(yùn)動(dòng)的作用。

2被動(dòng)式擺動(dòng)水翼實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的擺動(dòng)式水翼潮流能量獲取實(shí)驗(yàn)裝置主要由能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、增速發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成，其中，能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)又包括擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)水翼俯仰角度控制機(jī)構(gòu)兩部分。實(shí)驗(yàn)裝置三維模型如圖7所示。

圖7　擺動(dòng)水翼能量獲取裝置Fig.7　 Energy capturing device based on oscillating hydrofoil

擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括NACA0015型擺動(dòng)水翼翼片，反向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以及連接部分，用于把流場中流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水翼升沉運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，通過反向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)把水翼的升沉運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。擺動(dòng)水翼俯仰角度控制機(jī)構(gòu)包括正向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，正向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)把輸出軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水翼俯仰角度控制軸的雙向角度擺動(dòng)，水翼俯仰角度控制軸通過兩套同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)水翼俯仰軸，實(shí)時(shí)控制水翼俯仰角度。增速發(fā)電系統(tǒng)與輸出軸相連，包括扭矩傳感器、增速箱、飛輪以及發(fā)電機(jī)，扭矩傳感器用于測量輸出軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，由于輸出軸轉(zhuǎn)速較低，利用增速箱把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)的額定輸入轉(zhuǎn)速范圍，通過飛輪既可以克服曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在的死點(diǎn)問題，又可以有效抑制輸出軸旋轉(zhuǎn)過程中存在的轉(zhuǎn)矩和速度波動(dòng)。

當(dāng)水平方向的水流流過擺動(dòng)水翼時(shí)，除擺動(dòng)上下兩個(gè)極限位置外，擺動(dòng)水翼對稱面與水平方向來流具有一定的角度，流場對水翼翼面產(chǎn)生豎直方向的升力，在升力的作用下，水翼上下運(yùn)動(dòng)，通過反向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輸出軸，從而完成將流場的流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)流場能量獲取，輸出軸通過正向曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)水翼俯仰角度的實(shí)時(shí)控制，因此在流場流體的作用下，擺動(dòng)水翼實(shí)現(xiàn)了的升沉運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)，通過合理配置飛輪，實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)水翼能量獲取的周期循環(huán)過程。

被動(dòng)式擺動(dòng)水翼潮流能量獲取實(shí)驗(yàn)裝置具有以下特點(diǎn)：

1)通過簡單機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)耦合，耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律固定；

2)無需主動(dòng)控制擺動(dòng)水翼二自由度運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)信息檢測，降低了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；

3)實(shí)驗(yàn)裝置為搭接式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)方便，為今后進(jìn)行多翼片能量獲取、半主動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量提取等研究奠定了基礎(chǔ)。

3被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1特定流速下實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽環(huán)境下開展了被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量獲取實(shí)驗(yàn)研究，水槽實(shí)驗(yàn)段寬度為1.70 m，水深為1.50 m，最大水流速度為2.0 m/s。分別進(jìn)行了0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 m/s以及2.0 m/s來流速度下的能量獲取實(shí)驗(yàn)，針對同一來流速度，完成了不同模擬負(fù)載下的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速檢測。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，被動(dòng)式擺動(dòng)水翼實(shí)驗(yàn)裝置置于循環(huán)水槽中，以滑動(dòng)變阻器作為發(fā)電機(jī)的可調(diào)負(fù)載，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來測試給定流速下的擺動(dòng)水翼能量獲取能力。設(shè)定擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)的最上端為初始位置，當(dāng)有最小來流速度為0.7 m/s時(shí)，輸出軸施加一定啟動(dòng)力矩，實(shí)驗(yàn)裝置即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

圖8　循環(huán)水槽能量獲取實(shí)驗(yàn)Fig.8　Energy extracing experiment in circulating water channel

由于擺動(dòng)水翼升沉運(yùn)動(dòng)的上、下極限位置為水平方向，流體對擺動(dòng)水翼不產(chǎn)生升力，此時(shí)利用飛輪慣性改變擺動(dòng)水翼攻角，在0、T/2和T時(shí)刻附近的一小段時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)水翼能量獲取裝置出現(xiàn)了負(fù)的轉(zhuǎn)矩輸出。從圖10可以看出，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，輸出軸旋轉(zhuǎn)速度在42 r/min附近波動(dòng)，最大波動(dòng)峰值達(dá)到11.4%，對擺動(dòng)水翼能量獲取性能產(chǎn)生一定影響，可以通過優(yōu)化飛輪配置或增加發(fā)電機(jī)電子驅(qū)動(dòng)器的方式進(jìn)行改進(jìn)。

圖9　瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.9　The instantaneous torque output

圖10　瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)速Fig.10　The instantaneous angular velocity output

圖11　實(shí)驗(yàn)輸出功率Fig.11　Power output of the experiment

在實(shí)驗(yàn)中，由于輸出軸采用分段加工后相連接，導(dǎo)致輸出軸剛度及同軸度較差，同步帶傳動(dòng)存在松動(dòng)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度較差和流速的不穩(wěn)定導(dǎo)致瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)功率曲線均有波動(dòng)。該問題可以通過進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，增加其他波動(dòng)抑制裝置進(jìn)行解決。

來流速度為1.6 m/s時(shí)，針對不同模擬負(fù)載下的擺動(dòng)水翼能量獲取效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真分析對比研究。實(shí)驗(yàn)通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的負(fù)載，負(fù)載的變化決定了擺動(dòng)水翼擺動(dòng)頻率的變化，進(jìn)而影響了擺動(dòng)水翼折算頻率發(fā)生變化，折算頻率從0.04到0.14變化時(shí)，擺動(dòng)水翼能量獲取效率和仿真效率隨折算頻率的變化關(guān)系曲線如圖12所示，從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，當(dāng)折算頻率f*為0.096時(shí)，擺動(dòng)水翼能量獲取效率最高，能量獲取效率η達(dá)到0.18。當(dāng)f*<0.096時(shí)，擺動(dòng)水翼能量獲取效率隨著折算頻率的增大而增大。當(dāng)f*>0.1時(shí)，由于負(fù)載逐漸減小，水翼擺動(dòng)頻率逐漸增大，由于機(jī)械摩擦、裝置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而造成的機(jī)械動(dòng)能損失逐漸增大等，導(dǎo)致能量獲取效率隨折算頻率的增大而減小。

對比圖12中的實(shí)驗(yàn)仿真效率曲線，可以看出仿真效率和實(shí)驗(yàn)效率變化趨勢一致，當(dāng)擺動(dòng)頻率f達(dá)到0.7，折算頻率f*達(dá)到0.096時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)達(dá)到最大能量輸出效率，但仿真最大能量輸出效率達(dá)到0.28，而實(shí)驗(yàn)最大能量輸出效率達(dá)到0.18，這主要由于實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)械摩擦、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣性消耗等造成了能量損失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)得到的能量獲取效率比仿真結(jié)果小。

圖12　效率和折算頻率Fig.12　Efficiency and reduced frequency

3.2不同流速下實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過不同來流速度下的實(shí)驗(yàn)功率數(shù)據(jù)整理，得到在來流速度0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和1.8 m/s下，水翼實(shí)現(xiàn)最佳能量獲取時(shí)對應(yīng)的擺動(dòng)頻率值分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8，可見隨著來流速度的增大，水翼最佳能量輸出頻率值一直在增大。針對最佳能量輸出功率進(jìn)行分析，得到實(shí)驗(yàn)最佳能量輸出功率和仿真輸出功率隨來流速度的對比變化關(guān)系如圖13所示。

圖13　不同流速下的輸出功率Fig.13　Power output under different water velocities

通過圖13看出，擺動(dòng)水翼在不同來流速度情況下都表現(xiàn)出了很好的能量獲取效果。隨著來流速度的逐漸增大，能量獲取功率增大，當(dāng)來流速度在1.2 m/s 和1.6 m/s 之間時(shí)，能量獲取功率與來流速度近似成線性關(guān)系，當(dāng)水速達(dá)到1.8 m/s 時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置最高平均功率輸出為180 W。

通過實(shí)驗(yàn)曲線和仿真曲線的對比可以看出，實(shí)驗(yàn)輸出功率和仿真輸出功率變化趨勢一致，隨著來流速度的增大，捕獲的能量增大。當(dāng)來流速度0.8 m/s 時(shí)，仿真輸出功率為21 W，實(shí)驗(yàn)輸出功率達(dá)到18 W，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合較好，但隨著來流速度的逐步增大，仿真輸出和實(shí)驗(yàn)輸出的偏差也越來越大，當(dāng)來流速度達(dá)到1.8 m/s 時(shí)，仿真功率輸出為281 W，而實(shí)驗(yàn)功率輸出為180 W，這主要是由于流速的增大，造成機(jī)械部件間傳動(dòng)的摩擦增大，流體表面的粘性阻力也增大，造成傳動(dòng)損耗的能量增多。

4結(jié)論

1)基于水中生物尾鰭的仿生推進(jìn)原理，提出一種潮流能量獲取方式，研制了被動(dòng)式擺動(dòng)水翼能量獲取實(shí)驗(yàn)裝置。

2)在循環(huán)水槽環(huán)境下進(jìn)行了能量獲取能力的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了利用被動(dòng)式擺動(dòng)水翼進(jìn)行潮流能量獲取的可行性，并和仿真分析進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果變化趨勢一致。

3)與旋轉(zhuǎn)式水輪機(jī)相比，擺動(dòng)水翼翼型簡單，便于加工，特別適合在低速流速下和淺水區(qū)域中使用，彌補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)存在的許多不足，在潮流能源開發(fā)利用中具有較大的發(fā)展空間。

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Experimental studies of passive oscillating hydrofoil for tidal current energy extracting

XU Jianan，SUN Hongyu

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：Regarding to the issue existing in the acquisition process of tidal energy by conventional rotary vane water turbine, this paper proposes a kind of passive oscillating hydrofoil tidal energy extracting technology that imitates the tail swinging of aquatic organisms. On the basis of analyzing the relationship of the motion rules of hydrofoil and the parameters including power coefficient, efficiency and reduced frequency, this paper designs a test device for the passive oscillating hydrofoil tidal energy extracting. Under the action of three sets of forward and reverse crank and rocker mechanisms, the passive oscillating hydrofoil has realized the cyclic process with two degrees of freedom. The flywheel is used to overcome the dead point in the process of crank and rocker mechanisms movement. The torque sensor is used to extract the rotating speed signal and torque single of output shaft torque. The energy extracting experiment of passive oscillating hydrofoil was carried out in the circulating water channel. Experiment results show that the passive oscillating hydrofoil can be used to extract tidal current energy. When the reduced frequency reaches 0.09, the highest energy extracting efficiency can achieve 0.18.

Keywords：tidal current energy; oscillating hydrofoil; crank rocker mechanism; two degrees of freedom; energy extraction; movement characteristics; power coefficient; reduced frequency

中圖分類號：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)02-0248-06

doi:10.11990/jheu.201502033

作者簡介：徐建安(1977-), 男, 副教授.通信作者：徐建安，E-mail: xujianan@hrbeu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(HEUCF140700)；哈爾濱市科技人才創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014RFQXJ097).

收稿日期：2015-03-20.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-15.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151215.1030.014.html