CN115859705A - 一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，包括：步骤1、将旋转椭圆柱物理模型引入预构建的外流场中，获得对应的流场物理模型；步骤2、采用高精度数值模拟方法对流场物理模型进行仿真，获得流场随时间分布情况以及旋转椭圆柱的运动数据；步骤3、根据步骤2获得的数据，对旋转椭圆柱的振动响应结果进行分析，获得振幅变化特征以及锁定时折合速度随旋转频率变化的规律。本发明提供的方法通过赋予椭圆柱主动旋转的自由度并优化椭圆柱长径比以及主动调整旋转转速达到显著增大共振区振动峰值振幅、增强振动稳定性的目的。

Description

一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法

技术领域

本发明涉及流致振动能量利用领域，尤其涉及一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法。

背景技术

流致振动产生的能量是利用潜力巨大的清洁能源，在近些年环境问题愈发突出的情况下受到广泛关注。越来越多的能量采集装置通过压电效应等方式将流致振动能量转化为电能加以利用，其原理大都基于钝体在来流作用下自激振动产生振动能量。由于其相较于化石能源的优越性，在以可持续发展为目标的未来有规模化应用的前景。

传统的非旋转式钝体的流致振动振幅通常较小，基于此设计的能量采集装置捕获的机械能直接来源于钝体的振动，因而能量利用受到振幅大小限制。由于钝体的流致振动并非在任一来流速度下都能达到最大振幅或者随时间均匀稳定地发生，因此其对流体的速度有很大的依赖性，风或者洋流都是理想的流致振动能量利用的理想对象，但通常流速不是恒定不变的，因此稳定的共振区域通常很窄。

现有的流致振动能量采集方法一般忽略旋转自由度，即使考虑了旋转自由度也通常为被动旋转，被动旋转对于具有轴-流向自由度的能量采集装置来说会影响振动的稳定性即便其在特定条件下会增加振动幅度。

专利文献CN114893335A公开了一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，包括固定板，固定板顶部的两端对称安装有线圈组件，线圈组件外部淘友外壳，外壳的内侧均设有磁体固定杆，磁体固定杆底部与固定板连接，磁体固定杆的上下两端均安装有固定磁体，两端的固定磁体之间的磁体固定杆上滑动连接有活动磁体，两侧的活动磁体之间连接有振子。该方法可以通过磁边界为振子提供更大的振动推力，但由于振子被限制在固定杆上，只能实现沿固定杆方向的振动变化，从而流失了部分流致振动的能量。

专利文献CN109801538A公开了一种基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，包括承载框架、间距调节模块、单振子模块和直线发电机；间距调节模块固定在承载框架上且与单振子模块固定连接，单振子模块通过间距调节模块改变位置，实现多振子模块间距的调整。该装置通过单振子模块快速调节各振子间的距离从而提高采集效率，但文中所记载的调节方法非常繁琐，容易受外界因素影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种流致振动能量利用方法，所述方法增加了能量采集的旋转自由度，有助于提高能量采集器获取的振动能量，同时通过主动调节转速的方式增强了振动稳定性。

一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，包括：

步骤1、将旋转椭圆柱物理模型引入预构建的外流场中，获得对应的流场物理模型；

步骤2、采用高精度数值模拟方法对流场物理模型进行仿真，获得流场随时间分布情况以及旋转椭圆柱的运动数据；

步骤3、根据步骤2获得的数据，对旋转椭圆柱的振动响应结果进行分析，获得振幅变化特征以及锁定时折合速度随旋转频率变化的规律。

本发明通过数值模拟的方式发现旋转可以为椭圆柱带来峰值振幅的大幅提升，并且赋予椭圆柱主动旋转的自由度可以对当前流速下的振动进行主动控制使其始终处于共振区间从而增强振动稳定性，进一步满足大规模清洁能源利用的需求。

具体的，在步骤1中，所述旋转椭圆柱物理模型包括椭圆柱的旋转角速度，长径比，以及流向方向的弹性系数和结构阻尼。

具体的，在步骤1中，所述旋转椭圆柱物理模型的振动约束方程如下：

式中，k为弹性系数，c为结构阻尼，m为质量，t为时间。

具体的，在步骤1中，所述外流场包括速度入口、压力出口、上下对称边界，所述外流场的横向长度满足拥塞率小于1％进行设定。

具体的，在步骤2中，所述高精度数值模拟方法包括四阶龙格库塔法求解二阶振动方程和重叠网格方法求解流场，在预设时间步长下与恒定转速下进行仿真。

具体的，所述时间步长的取值范围为Δt≤0.000255T_rot，T_rot为椭圆柱旋转一周的时间。

具体的，在步骤2中，所述旋转椭圆柱的运动数据包括每一长径比和转速组合下至少10个折合速度对应的振动响应结果。

具体的，在步骤3中，所述振幅变化特征包括不同长径比和转速组合下主动旋转椭圆柱的流向峰值振幅分布，以及旋转椭圆柱的振幅数据与相近雷诺数下非旋转椭圆柱振幅结果对比。

具体的，在步骤3中，所述锁定时折合速度随旋转频率变化的规律表达式如下：

式中，f_rot为旋转频率，U为实际流速，D为旋转椭圆体的长轴长度，U^*为当前转速对应锁定时的折合速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明通过数值模拟的方式为不同长径比的弹性安装的流向振动椭圆柱增加了主动旋转自由度，计算结果表明椭圆柱的流向振幅显著增大，且通过优化转速与长径比可以进一步增加振动峰值振幅。

(2)本发明给出了旋转椭圆柱锁定位置与流速以及旋转频率的关系，通过主动调整转速可以使当前来流速度下的流致振动均匀稳定且接近理想振幅，为稳定且高效地利用清洁能源提供新方法。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法的流程图；

图2为本实施例提供的流场物理模型的示意图；

图3为本实施例提供的不同长径比椭圆柱的示意图；

图4为本实施例提供的不同长径比和转速组合下的振幅结果示意图；

图5为本实施例提供的预测锁定点处无量纲振幅与无量纲转速的关系图；

图6为本实施例提供的图5中每一锁定位置所对应的位移随时间变化曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作具体说明。需要明确的是，涉及具体参数的描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。另外，本发明并非着眼于仿真算法以及具体的机理，因此对涉及具体计算方法以及机理分析的部分不作具体描述。

如图1所示，一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法包括：

步骤1、如图2所示，椭圆柱体有流向及旋转两个方向的自由度并被弹性安装，c表示系统的结构阻尼，k代表弹性系数，旋转角速度为Ω，质量为m，椭圆柱长轴长度固定为D，短轴随长径比改变作相应调整；椭圆柱中心位置距离入口长度为50D，椭圆柱中心位置距离出口长度为100D，横向长度为100D，保证尾流的充分发展以及阻塞率小于等于1％，入口是流向的均匀来流，速度为U，入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，上下两侧为对称边界，椭圆柱表面为无滑移边界条件，获得对应的流场物理模型；

步骤2、改变所述椭圆柱的长径比以及主动旋转转速，在ANSYS FLUENT当中用高精度数值模拟方法计算给定工况，得到流场随时间分布情况以及每一时间步椭圆柱位移、速度；高精度数值模拟方法包括四阶龙格库塔法求解二阶振动方程、重叠网格方法求解流场(前景网格划分时保证椭圆柱边界层第一层网格高度为0.024D，网格膨胀率小于1.07)、时间步长控制在Δt≤0.000255T_rot，T_rot表示椭圆柱旋转一周的时间，为了获取最大的振幅结果，数值计算忽略了结构阻尼；保持雷诺数Re＝100,质量比m^*＝20(质量比

ρ为椭圆柱体单位长度质量)不变；

如图3所示，在恒定无量纲转速α＝0.5时，改变椭圆柱长径比(∈)使其形状由均匀圆柱接近平板，取∈＝1,0.75,0.5,0.25；对给定工况进行数值计算，获取每一长径比下不少于10个折合速度对应的振动响应结果以及流场分布；保持雷诺数Re＝100，质量比m^*＝20不变，在恒定长径比∈＝0.25时改变椭圆柱的无量纲主动旋转转速(α)使其转速范围覆盖低、中、高转速，取α＝0.2,0.5,1；对给定工况进行数值计算，获取每一转速下不少于10个折合速度对应的振动响应结果以及流场分布；

步骤3、如图4所示，无量纲最大振幅

A为最大振幅值即采样时间序列中的最大位移值，∈＝0.25、α＝0.2时的最大无量纲流向振幅值约为0.5倍直径，reference指的是参考对比的数值模拟结果，即对雷诺数Re＝180、质量比m^*＝20、结构阻尼取0时的流向振动的非旋转圆柱进行数值模拟后获得的不同折合速度下流向振幅结果，其峰值流向振幅仅0.01倍直径；

各长径比及转速组合下锁定点的折合速度满足：

另外，折合速度定义为

这意味着特定来流速度，若不能改变系统固有频率，则改变转速可以使得所对应的折合速度位于锁定(共振)范围内从而使得振动均匀稳定。选取六个不同的无量纲转速验证这一规律，如图5所示，得到每一无量纲转速对应预测折合速度点的最大无量纲振幅分布。

此外随着转速减小，最大振幅不断增大，∈＝0.25、α＝0.125时的振幅约0.73D。

如图6所示，展示了图5中每一数据点所对应的位移随时间变化曲线图，图中(a)为∈＝0.25、α＝0.125、U^*＝12.6时的位移-时间曲线图，(b)对应∈＝0.25、α＝0.2、U^*＝7.5时的位移-时间曲线，(c)对应∈＝0.25、α＝0.25、U^*＝6.3时的位移-时间曲线,(d)对应∈＝0.25、α＝0.3、U^*＝5.3时的位移-时间曲线,(e)对应∈＝0.25、α＝0.5、U^*＝3.14时的位移-时间曲线,(f)对应∈＝0.25、α＝1、U^*＝1.5时的位移-时间曲线。

可以发现，每一时间序列均呈现稳定且均一的振动，振幅大小和频率均保持恒定，这表明转速改变后，根据公式

选取的折合速度位置的振动是均匀稳定的且符合能量采集的需求，验证了上述规律的准确性。/>

Claims (9)

1.一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，包括：

步骤1、将旋转椭圆柱物理模型引入预构建的外流场中，获得对应的流场物理模型；

步骤2、采用高精度数值模拟方法对流场物理模型进行仿真，获得流场随时间分布情况以及旋转椭圆柱的运动数据；

步骤3、根据步骤2获得的数据，对旋转椭圆柱的振动响应结果进行分析，获得振幅变化特征以及锁定时折合速度随旋转频率变化的规律。

2.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤1中，所述旋转椭圆柱物理模型包括椭圆柱的旋转角速度，长径比，以及流向方向的弹性系数和结构阻尼。

3.根据权利要求1或2所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤1中，所述旋转椭圆柱物理模型的振动约束方程如下：

式中，k为弹性系数，c为结构阻尼，m为质量，t为时间。

4.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤1中，所述外流场包括速度入口、压力出口、上下对称边界，所述外流场的横向长度满足拥塞率小于1％进行设定。

5.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤2中，所述高精度数值模拟方法包括四阶龙格库塔法求解二阶振动方程和重叠网格方法求解流场，在预设时间步长下与恒定转速下进行仿真。

6.根据权利要求5所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，所述时间步长的取值范围为Δt≤0.000255T_rot，T_rot为椭圆柱旋转一周的时间。

7.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤2中，所述旋转椭圆柱的运动数据包括每一长径比和转速组合下至少10个折合速度对应的振动响应结果。

8.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤3中，所述振幅变化特征包括不同长径比和不同转速组合下主动旋转椭圆柱的流向峰值振幅分布，以及旋转椭圆柱的振幅数据与相近雷诺数下非旋转椭圆柱振幅结果对比。

9.根据权利要求1所述的基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法，其特征在于，在步骤3中，所述锁定时折合速度随旋转频率变化的规律表达式如下：

式中，f_rot为旋转频率，U为实际流速，D为旋转椭圆体的长轴长度，U^*为当前转速对应锁定时的折合速度。

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