尾流干涉下圓柱流致振動的俘能實(shí)驗(yàn)設(shè)計

王陽陽，婁 敏，劉馨涵

（中國石油大學(xué)（華東）a.石油工程學(xué)院；b.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

0 引言

為順應(yīng)“建設(shè)海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略需求與“3060 雙碳”目標(biāo)［1］，迫切需要培育海洋工程新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人才，不斷提高海洋的開發(fā)能力，以推動我國科技革命與產(chǎn)業(yè)升級［2］。將相關(guān)領(lǐng)域的前沿科技成果與實(shí)際教學(xué)過程相結(jié)合［3］，設(shè)計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以提升學(xué)生對交叉學(xué)科的基礎(chǔ)理論綜合運(yùn)用能力及創(chuàng)新實(shí)踐動手能力，成為高校教學(xué)改革的重點(diǎn)思考方向［4-5］。

我國各類海洋能資源儲量豐富，隨著海洋能開發(fā)利用的快速發(fā)展，現(xiàn)有俘能裝置的局限性愈發(fā)突出［6-8］。海洋細(xì)長結(jié)構(gòu)物在流致振動過程中提供豐富的能量，通過能量轉(zhuǎn)換器件（壓電材料、靜電材料等）可將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。同時，由于流致振動俘能可以避開傳統(tǒng)水力發(fā)電裝置對環(huán)境與流速的要求，實(shí)現(xiàn)海洋能的高效利用，因此成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)［9-10］。

海洋振子流致振動能量俘獲效率依賴于誘發(fā)的振動類型，其中尾流激振具有優(yōu)秀的能量獲取潛力［11-12］，因此基于尾流干涉的圓柱流致振動設(shè)計了海洋俘能實(shí)驗(yàn)。設(shè)計了實(shí)驗(yàn)裝置與方案，開發(fā)了直立式圓柱流致振動俘能系統(tǒng)，通過壓電懸臂梁中的壓電材料將圓柱振動機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而?shí)現(xiàn)海流能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)化。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同振動圓柱間距布置對海洋能采集效率的影響規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)涉及多學(xué)科交叉融合，通過“思考—設(shè)計—動手—分析”全流程實(shí)驗(yàn)方案，提升學(xué)生的理論認(rèn)知與解決綜合問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)在隨機(jī)波流耦合水槽中完成，水槽長60.0 m、寬3.0 m，最大工作水深1.5 m，最大流速約0.6 m／s，水槽底部的鋼制材料可用于支撐裝置固定，水槽兩側(cè)嵌有透明玻璃以便于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，如圖1 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計支撐裝置，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ谒壑?。支撐裝置由截面尺寸為40 mm ×40 mm 和40 mm ×80 mm的鋁材組裝而成，實(shí)驗(yàn)前對該支撐裝置進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)定支撐。支撐板材為7075 鋁合金材料，滿足支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承重要求；在支撐板上布設(shè)一系列定位孔，以達(dá)到模型間距的準(zhǔn)確性。為獲得較大流速范圍，對水槽進(jìn)行束流，流速范圍為0～1.2 m／s。多普勒測速儀放置在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途鄟砹鞣较? m處，進(jìn)行流速監(jiān)測，以保證實(shí)驗(yàn)過程中獲得平穩(wěn)的均勻流。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^萬向節(jié)固定在支撐頂板、底板之間，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥杂烧駝?。萬向節(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭O(shè)計，主體由2 節(jié)組成，連接支撐板一節(jié)設(shè)有內(nèi)螺紋，通過螺絲與支撐板固定；連接實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投瞬恳还?jié)對稱開4 個孔，配有頂絲（專用螺栓）以加強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接的緊密性，萬向節(jié)內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯鈴揭恢隆?/p>

流速是水動力實(shí)驗(yàn)的一個重要參數(shù)。多普勒測速儀流速測量范圍為0～4 m／s，采樣頻率為1～200 Hz。實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)采樣頻率，通過聲學(xué)原理捕捉流體實(shí)時流速。將多普勒測速儀固定在水平支撐板上，保證多普勒測速儀處于來流方向的中間位置。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娌荚O(shè)裸光纖光柵，使用光纖光柵傳感器獲取圓柱模型的實(shí)時動態(tài)應(yīng)變。每根圓柱體布置4 根光纖，在圓柱體上每隔90°對稱布置。根據(jù)理論計算的柱體振動模態(tài)數(shù)量，在每根光纖上布置8 個測點(diǎn)，間隔距離固定為300 mm。通過光纖光柵傳感器實(shí)時獲得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭討B(tài)應(yīng)變。以對稱位置兩測量點(diǎn)的平均應(yīng)變作為柱體的應(yīng)變，通過Lie 等［13］提出的模態(tài)分析方法處理柱體振動響應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變信息，得到振動響應(yīng)過程中的位移，計算式如下所示：

式中：t為時間；ε1（z，t）、ε2（z，t）為同方向上2 個對稱測點(diǎn)實(shí)時應(yīng)變；R為柱體特征長度；L為柱體軸向長度；ωn（t）為最小二乘法計算出的權(quán)重函數(shù)；n為循環(huán)周期數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對圓柱在尾流干涉作用下的振動響應(yīng)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)過程中，來流方向均垂直于特征長度方向。圖2給出了尾流干涉下圓柱布局示意圖，其中2 個擾流柱之間的橫向間距用lTD表示，擾流柱與尾流柱之間的流向距離用lLD表示。實(shí)驗(yàn)過程中的振動柱體物理參數(shù)如表1 所示。

表1 柱體物理參數(shù)

圖2 尾流干涉下圓柱布局示意圖

1.3 流致振動俘能系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3 所示。直立式流致振動俘能裝置由壓電懸臂梁和振動柱體組成［14］，其中壓電懸臂梁由壓電片（PZT-5A）和T2 紫銅板組成。通過4 個對稱的輕型螺釘將處于對稱位置的壓電懸臂梁與振動柱體連接，擾流柱和直立式流致振動俘能裝置的位置可通過移動上頂板進(jìn)行調(diào)節(jié)。在整個實(shí)驗(yàn)中，壓電懸臂梁垂直于來流方向。在來流的作用下，整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性振動。將對稱位置壓電片的正負(fù)極并聯(lián)后連接到數(shù)據(jù)采集器上，實(shí)時采集電壓。實(shí)驗(yàn)中所有柱體的長度和迎流寬度都保持相同，俘能裝置的相關(guān)物理參數(shù)如表2、3 所示。實(shí)驗(yàn)中選取104 Ω作為測試電阻值。

表2 壓電懸臂梁物理參數(shù)

表3 壓電片物理參數(shù)

圖3 直立式流致振動俘能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

尾流干涉下，尾跡和漩渦脫落之間相互影響，即可能增加振動頻率，也可能減小振動頻率［15］。為了更清楚地描述不同尾流橫向距離下耦合干涉效應(yīng)的變化，引入了“頻率干涉比ζy”的概念［16］，通過劃分頻率增強(qiáng)區(qū)（ζy≥1）和頻率減弱區(qū)（ζy＜1）來具體分析干涉效應(yīng)下的頻率變化。頻率干涉比計算式如下所示：

式中：fdy為尾流干涉下的柱體橫流向振動主頻；fody為孤立狀態(tài)下的柱體橫流向振動主頻。

引入“位移干涉效率ηy”的概念［16］，進(jìn)一步分析尾流干涉下振動振幅的變化，通過劃分位移干涉減弱區(qū)（ηy＜0）和位移干涉增強(qiáng)區(qū)（ηy≥0）來具體分析干涉效應(yīng)下的振動促進(jìn)或抑制變化。位移干涉效率ηy計算式如下所示：

式中：yrms為尾流干涉下的柱體橫流向振幅均方根；yody為孤立狀態(tài)下的柱體橫流向振幅均方根。

2.1 圓柱尾流干涉效應(yīng)分析

以橫向距離lTD＝2D（D為特征長度）為劃分標(biāo)準(zhǔn)，對不同流向距離（lLD＝2D，3D，4D，6D，8D）下干涉效應(yīng)進(jìn)行分析。如圖4（a）所示，流向距離lLD＝2D，4D2 種工況下頻率干涉比始終位于頻率減弱區(qū)（ζy＜1），其余3 種工況下，頻率均隨約化速度Ur的增加由增強(qiáng)區(qū)進(jìn)入減弱區(qū)，并且在頻率減弱區(qū)內(nèi)所有工況的頻率干涉比變化相似。如圖4（b）所示，不同流向距離下的位移干涉效率變化趨勢一致，僅在數(shù)值大小上存在差異，在整個實(shí)驗(yàn)過程中均位于位移干涉增強(qiáng)區(qū)（ηy≥0）。由此說明，當(dāng)橫向距離lTD＝2D時，位移干涉效率表現(xiàn)積極，促進(jìn)尾流干涉下圓柱振動；隨著流速的增加，圓柱頻率干涉比變化無明顯差距，即流速較大時，頻率干涉比基本不隨流向距離的變化而變化，進(jìn)而證明流向距離的改變只影響激勵水動力的大小而不改變頻率。

2.2 振動俘能結(jié)果分析

研究表明，懸臂梁式壓電俘能結(jié)構(gòu)的振動位移和輸出電壓成正比，因此可以利用振動位移來解釋輸出電壓的變化。圖5 給出了尾流干涉下lTD＝2D，lLD＝2D，Ur＝9.95 時的位移時程曲線和電壓時程曲線。可以看出，在振動過程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了周期性振動。這種周期性振動可驅(qū)動俘能結(jié)構(gòu)中的壓電懸臂梁擺動，擺動過程中壓電片上的正負(fù)電子移動從而產(chǎn)生電壓，當(dāng)產(chǎn)生的電壓足夠大且穩(wěn)定時，可對電壓進(jìn)行收集，為器件提供穩(wěn)定電能。

圖5 俘能系統(tǒng)時程曲線

尾流干涉下lTD＝2D時輸出功率變化如圖6 所示。在lLD＝2D時輸出功率最大，這是由于該流向距離下發(fā)生馳振響應(yīng)，導(dǎo)致振幅較大，此時輸出功率是孤立狀態(tài)下的5 倍。其他工況下輸出功率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖6 尾流干涉下圓柱輸出功率變化曲線

3 結(jié)語

通過直立式圓柱流致振動俘能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海流能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)化，并通過對比不同間距下圓柱振子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探討了海洋能采集效率最優(yōu)的布局形式。該實(shí)驗(yàn)方案不僅可用于海洋結(jié)構(gòu)物水動力性能研究，還可通過振動機(jī)械能的輸出功率對能量采集效率進(jìn)行評估，是一項(xiàng)涉及多學(xué)科交叉融合的綜合性實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可充分鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)領(lǐng)域理論知識的理解與應(yīng)用。

·名人名言·

我從來不記在辭典上已經(jīng)印有的東西。我的記憶力是運(yùn)用來記憶書本上還沒有的東西。

——愛因斯坦