[科普中国]-流致振动发电

简介

利用流致振动(FIM)进行发电是近年来一种新兴的水力发电方式。考虑流致振动发电功率与流致振动振幅、频率、电机参数及负荷等存在强耦合关系，发电机对振子的阻力可视为HOGR系统总阻尼的一部分;系统中各项阻尼的大小表征了对应功率及效率的大小;HOGR系统的发电效率决定于系统的上限效率与上限能量的利用率的乘积;通过分别确定上限效率及上限能量利用率与折介阻尼系数间关系可确定最优的发电效率及负荷条件;发电机的选配原则为在保证经济性的前提下，尽量使最优上限效率与最优上限能量利用率的折介阻尼系数相等。

流致振动的定义流致振动(Flow-induced Motion, FIM)是指流体流经固体时会对固体表面施加交替相问的流体力，使得固体发生往复运动，而固体的往复运动又改变流体流态，进而改变作用于固体表面的流体力，这种流体与固体相互作用的现象称为流致振动。流致振动现象广泛地存在于各类工程领域当中。流致振动中最典型的两种运动为涡激振动 （Vortex-induced vibration, VIV)与驰振(Galloping)其中，涡激振动是由于流体粘性作用使得其在绕流钝体后侧产生了交替脱涡的漩涡，从而引起钝体纵向的往复运动}s};而驰振则是由于钝体攻角的变化造成升力失稳，从而使得钝体发生纵向往复运动工程实际中，VIV与驰振有可能单独出现，也有可能藕合出现，VIV很可能成为驰振的主要诱因。从15世纪中期，达芬奇通首次发现了VIV现象后，学者们纷纷投入到了流致振动的相关研究工作当中1。

Feng首次通过风洞试验得到了圆柱、D型柱的VIV响应规律。随后Bearman Sarpkaya等人对绕流圆柱的理论模型及流体作用力的特点进行了深入分析，了预测绕流圆柱响应的振了模型。20世纪中后期，Williamson Khalak及Govardhan等人在水槽中进行了一系列的圆柱绕流试验，阐释了水流条件下圆柱响应的影响因素、受力特点及尾流模式，进一步完善了VIV的理论模型。D enHartog首次运用准静态方法(quasi-steady)预测了驰振的响应规律。随后Parkinson及Bearman等人对三角形及正方形截面下振了的驰振特性进行了理论研究与响应预测。

由于流致振动对工程的破坏作用巨大，以往关于流致振动的研究大多集中于如何抑制振动以保证结构的安全。不过，近年来随着新能源领域尤其是振动发电领域的不断创新，流致振动也逐渐成为了一种重要的能量转化来源之一。在众多的振动发电装置当中，压电俘能技术是最早运用空气流致振动进行能量转化的发电装置。该装置因其灵巧的装卸优势，成功的运用在各类微型、小型传感器及其他电了设备的供电系统上，并取得了良好的经济效益。相对于压电俘能材料，另一种利用流致振动转化海流能源的发电设备(VIVACE } VortexInduced Vibration for Aquatic Clean Energy)于2009年由密歇根大学的Bernitsas及其科研团队研制成功。随后，马良等人又了改进的涡激与升力混合发电设备。该类设备具有启动流速低、能量密度大、可扩展性强等特点，具有更加广阔的运用前景。白此，许多学者开始从发电理念出发，重新审视并研究流致振动的振动特性、影响因素及形成机理。B arrero Gil及Alonso等人基于准静态理论的方法研究了驰振响应下能量转化效率，并深入分析了影响流致振动发电效率的控制因素。Muhanmood及Dai等人则通过理论分析及数值计算等方法对压电俘能转换机的能量转化及相应的负荷电压进行了深入研究。

就目前而言，基于流致振动发电的研究大多集中于振了的振动特性(如振幅、频率、升力系数等)，考虑实体发电机或将发电机及负荷参数引入振动体系的祸合研究相对较少。这在某种程度上制约了流致振动发电的实际运用前景。对于振动体系而言，发电机的影响在于阻碍振了的运动，而发电机阻力的大小又取决于发电机的各项参数以及负荷的大小，一旦电机或负荷发生改变，发电机对振了的阻力必然发生改变，从而影响振了的振动响应，最终影响系统的发电功率与效率。可见，发电功率与流致振动响应、发电机参数及系统负荷存在强祸合关系。为此，首次建立了水力一振了一电机一负荷藕合模型系统(The combined model of hydraulic, oscillator,generator and resistance, HOGR)，分析了振了的受力特点与运动特点，推导得到了发电功率与效率的表达方程，揭示了效率的控制因素与影响机制。随后，基于效率的控制因素了最优发电效率的分析方法以及发电机选配的原则，并运用试验结果进行验证与说明。研究旨在确定流固祸合发电系统的发电功率与效率及对应的控制因素，为后续的流致振动能量转换研究以及发电机的研发提供良好的参考。

功率与效率HOGR系统的能量汲取与分配对于HOGR系统而言，而水流能量终转化为可利用的能量实际要经历两个基本过程，如图2所示。

过程1:流体能量的其中一部分用于对振了做功，另一部分由于尾流场的变化而耗散在流体当中。振了尾流中，由于速度场及涡量场的改变，使得流体粒了不断碰撞、摩擦，这部分能量实际也来源于流体本身的能量。过程2:流体对振了所做的功中，一部分通过发电机转化成负荷电阻的电能消耗，一部分耗散于电机发电过程中白身产生的热量，还有一部分耗散于振了振动过程中的机械损耗。对于上述能量当中，发电机转化成为负荷电阻R:的电能消耗实际上即为整个系统当中可以利用的能量。因此，考察各个能量以及效率之问的关系是提高流致振动发电应用前景的关键因素。本节的后续儿个内容将分别讨论水流功率、HOGR系统的上限功率与效率以及HOGR系统的发电功率与效率1。

流体功率由于HOGR系统为分布式的能量转换设备，其能量仅为流体动能。故总的流体功率为动压水头PT与水流的体积流量Q的乘积。

系统上限功率与效率水流能量的利用过程可知，因发电机内能及机械损耗，使得水流对振了做功不能完全被利用。但在理想条件下，若使得发电机白身发热及传动阻尼力损耗为零，则可实现水流对振了所做功全部被利用。由此可见，对于HOGR系统而言，水流对振了的做功功率、即为系统可利用功率的上限，即上限功率。

系统发电功率与效率HOGR系统中，被利用的发电功率为单位时问内负荷电阻R:所消耗的电能能量。在发电回路系统中，电流I为感应电动势E与回路总电阻的比值。

HOGR系统的最优效率的确定HOGR系统的发电效率决定于其上限效率粉UL与上限能量利用率粉的乘积、上限效率UL与上限能量利用率粉的变化规律及控制参数。那么，对于确定的发电机，HOGR系统最终的最优发电效率可通过如下途径加以确定，如图6所示。

具体步骤为:m确定发电机的各项参数，确定短路时的折合阻尼系数姑，然后通过确定上限能量利用率与折合阻尼系数的相关关系。通过试验、数值或理论的方法掌握A与。的响应规律与振了参数、水流参数的相关关系，并通过式确定上限效率与折合阻尼系数的相关关系。根据。确定发电效率与折合阻尼系数之问的关系了，并确定最优发电效率与对应的1。