CN109835482B - 前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，包括扑翼翼型、旋转圆柱、联轴器、电机马达，所述扑翼翼型前缘设有旋转圆柱，所述旋转圆柱一端通过联轴器与一台微型可正反旋转的电机马达相连，由电机马达驱动旋转圆柱旋转，通过调整电机马达转速控制旋转圆柱的旋转速度。本发明将旋转圆柱流动控制技术应用于扑翼式获能器上，可使扑翼的升力显著增加，增强扑翼翼型的做功性能，从而进一步提高其获能效率。

Description

前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置

技术领域

本发明涉及一种扑翼式获能装置，尤其是一种由马达驱动的可旋转圆柱的扑翼式获能装置。

背景技术

人类受到鸟类扑翼可高效飞行的启发，提出了翼型在风或水流中扑动，从流体中获取能量的想法。扑翼运动可以看作是翼型在平面内的升沉平动和绕平动平面内一点的俯仰运动的合运动，升力与阻力的合力在竖直方向上的分量，即升沉力对扑翼做功，在一定条件下可以实现获能，其中升力对获能效率影响较大，提高升力，可以提高获能效率。

与传统的旋转叶轮式的风力机的不同，扑翼式获能装置中的翼型可进行升沉和俯仰的叠加运动(升沉运动是翼型在平面内的上下平动，俯仰运动是扑翼翼型1绕平动平面内一点的运动，如图1所示，A为升沉运动最高点，B为升沉运动最低点)，流体通过时在翼型表面产生的合力在竖直方向上的分量称之为升沉力，因升沉力方向与翼型运动方向一致，从而对翼型做正功，这是扑翼可以从流体中获能的原因。扑翼式获能装置具有设计简单、噪音低、和适应范围广等优点，而且环保性更好，但其效率与传统的水平轴式风力机相比仍然较低。如果在翼型扑动的过程中，能有效的增加升沉力就可以提高这类获能装置的能量转换效率。

现有的扑翼获能装置中普遍采用具有较好升力特性的NACA系列对称翼型，采用在翼型表面施加主动或被动的控制方法来改善翼型周边的流动状态从而进一步提高翼型升力。研制简单、高效、低耗能和可靠的增升方法对进一步推广扑翼式获能装置的应用具有重要意义。

现用于扑翼增升的方法中，被动式方法如开槽/缝、凹腔、强制转捩装置等适用工况范围窄，变工况性能差，因此增升效果有限。主动控制方法可以具有良好的变工况性能，可以根据外部流场的变化对自身结构或者流动参数进行相应的改变，从而在较大工况范围内都能获得最优的控制效果。探寻适用于扑翼获能装置的主动控制方法，进一步提高这种获能器的能量转换效率具有重要的工程应用价值。运动表面流动控制方法是通过将翼型的前缘、尾缘或者扑翼翼型表面某位置处改装上由马达驱动的可旋转圆柱2，如图2所示，C为扑翼翼型吸力面，D为扑翼翼型压力面。当旋转圆柱2以一定转速进行旋转时，由于旋转圆柱2表面的黏性作用，不断向吸力面边界层内输入动量，来抵抗大攻角下扑翼翼型表面边界层的分离。早期的研究表明，该方法可以有效的推迟扑翼翼型的失速，使扑翼翼型的升力得到较大的提高。

发明内容

本发明是要提供一种前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，将旋转圆柱流动控制技术应用于扑翼式获能器上，可使扑翼的升力显著增加，增强翼型的做功性能，从而进一步提高其获能效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，包括扑翼翼型、旋转圆柱、联轴器、电机马达，所述扑翼翼型前缘设有旋转圆柱，所述旋转圆柱一端通过联轴器与一台微型可正反旋转的电机马达相连，由电机马达驱动旋转圆柱旋转，通过调整电机马达转速控制旋转圆柱的旋转速度。

进一步，所述旋转圆柱直径为扑翼翼型弦长的6％～10％，圆心位置取在6％～10％翼型弦长处，所述旋转圆柱与扑翼翼型的翼身之间具有间隙，间隙为旋转圆柱半径的1/10～1/20。

进一步，当扑翼翼型从其升沉幅值最高点A向下做升沉运动，同时有绕自身一点做俯仰运动，扑翼翼型的尾缘位于前缘上方，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为<θ(t)<θ时，所述扑翼翼型的下翼面相当于吸力面，所述电机马达驱动旋转圆柱逆时针旋转；当扑翼翼型向下扑动到最低位置B并开始向上做升沉运动，同时绕自身一点做俯仰运动，扑翼翼型的前缘位于尾缘上方时，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为-θ<θ(t)<时，所述扑翼翼型的上翼面相当于吸力面，所述电机马达反转并驱动旋转圆柱顺时针旋转，使扑动过程中的扑翼翼型在不同俯仰攻角下吸力面上始终保持小的流动分离，从而增加扑翼翼型受到的升力，提高能量转换效率。

本发明的有益效果是：

1.本发明是一种前缘为旋转圆柱的新型扑翼式获能装置；

2.将扑翼翼型前缘改装为一个由电机驱动的可旋转的圆柱，其中，转动圆柱的圆心位置取在6％c～10％c范围内，c是翼型弦长，圆柱半径可为翼型弦长的3％c～5％c，圆柱与翼身之间的间隙为圆柱半径的1/10～1/20；

3.通过微型可调速正反转电机马达控制前缘圆柱的旋转方向与转速：当扑翼从其升沉幅值最高点A向下做升沉运动，同时有绕自身一点做俯仰运动，扑翼尾缘位于前缘上方时，俯仰角θ(t)的范围为0<θ(t)<θ₀，此时扑翼的下翼面相当于吸力面，电机马达驱动圆柱逆时针旋转；当扑翼向下扑动到最低位置B并开始向上做升沉运动时，同时绕自身一点做俯仰运动，此时扑翼前缘位于尾缘上方时，俯仰角θ(t)的范围为-θ₀<θ(t)<0，此时扑翼的上翼面相当于吸力面，微型马达反转并驱动圆柱顺时针旋转，使扑动过程中的翼型在不同俯仰攻角下吸力面上始终保持较小的流动分离，从而增加翼型受到的升力，提高这种装置的能量转换效率。

附图说明

图1是传统扑翼式获能装置的运动方式示意图；

图2为是前缘为旋转圆柱的翼型示意图；

图3是前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置示意图；

图4是前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置的运动方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2，3所示，本发明的前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，包括扑翼翼型1、旋转圆柱2、联轴器3、电机马达4。将扑翼翼型1前缘改造为旋转圆柱2，旋转圆柱2直径

为扑翼翼型1弦长c的6％～10％，圆心位置在6％～10％翼型弦长c处，旋转圆柱2与扑翼翼型1的翼身之间的间隙为旋转圆柱2半径的1/10～1/20。在旋转圆柱2一端通过联轴器3与一台微型可正反旋转的电机马达4相连，电机马达4驱动旋转圆柱2旋转，通过调整电机马达4转速控制旋转圆柱2的旋速度。当扑翼翼型从其升沉幅值最高点A向下做升沉运动，同时有绕自身一点做俯仰运动，扑翼翼型尾缘位于前缘上方时，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为0<θ(t)<θ₀，θ₀为扑翼最大俯仰角，此时扑翼翼型的下翼面相当于吸力面，电机马达4驱动旋转圆柱2逆时针旋转；当扑翼翼型向下扑动到最低位置B并开始向上做升沉运动时，同时绕自身一点做俯仰运动，此时扑翼翼型的前缘位于尾缘上方时，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为-θ₀<θ(t)<0，此时扑翼翼型的上翼面相当于吸力面，电机马达4反转并驱动旋转圆柱2顺时针旋转，使扑动过程中的扑翼翼型在不同俯仰攻角下吸力面上始终保持较小的流动分离，从而增加扑翼翼型受到的升力，提高这种装置的能量转换效率。

本发明的前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置的运动方式，利用运动表面流动控制方法，提高这种装置的能量转换效率。如图4所示，当扑翼翼型从其升沉运动的最高点A开始向下做升沉运动时，其上表面为压力面，下表面为吸力面，此时圆柱逆时针方向旋转，往吸力面表面边界层内注入动量从而增加扑翼翼型升力；当扑翼翼型达到升沉幅值的最低点B并开始向上运动时，此时扑翼翼型上表面变为吸力面，下表面变为压力面，扑翼翼型上所受到的升力向上，与其运动方向一致，流体对扑翼翼型做功，扑翼翼型将流体动能转换为机械能，此时旋转圆柱反转，成顺时针方向旋转。这种方法在扑翼翼型扑动的过程中使其吸力面上保持较小流动分离，维持扑翼翼型较高的升阻比，从而提高这种装置的获能效率。

Claims (2)

1.一种前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，包括扑翼翼型、旋转圆柱、联轴器、电机马达，其特征在于：所述扑翼翼型前缘设有旋转圆柱，所述旋转圆柱一端通过联轴器与一台微型可正反旋转的电机马达相连，由电机马达驱动旋转圆柱旋转，通过调整电机马达转速控制旋转圆柱的旋转速度；所述旋转圆柱直径为扑翼翼型弦长的6％～10％，圆心位置在6％～10％翼型弦长处，所述旋转圆柱与扑翼翼型的翼身之间具有间隙，间隙为旋转圆柱半径的1/10～1/20。

2.根据权利要求1所述的前缘为旋转圆柱的扑翼式获能装置，其特征在于：当扑翼翼型从其升沉幅值最高点A向下做升沉运动，同时有绕自身一点做俯仰运动，扑翼翼型的尾缘位于前缘上方，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为0<θ(t)<θ₀时，θ₀为扑翼最大俯仰角，所述扑翼翼型的下翼面相当于吸力面，所述电机马达驱动旋转圆柱逆时针旋转；当扑翼翼型向下扑动到最低位置B并开始向上做升沉运动，同时绕自身一点做俯仰运动，扑翼翼型的前缘位于尾缘上方时，扑翼翼型的俯仰角θ(t)的范围为-θ₀<θ(t)<0时，所述扑翼翼型的上翼面相当于吸力面，所述电机马达反转并驱动旋转圆柱顺时针旋转，使扑动过程中的扑翼翼型在不同俯仰攻角下吸力面上始终保持小的流动分离，从而增加扑翼翼型受到的升力，提高能量转换效率。

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