涡激振动潮流能转换装置获能实验研究.pdf

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1、第45卷第10期2015年10月中国海洋大学学报PERl0DICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA45(10)：114～1200ct．，2015涡激振动潮流能转换装置获能实验研究+袁鹏，陈东旺，王树杰“，孙飞(中国海洋大学工程学院，山东省重点实验室，山东青岛266100)摘要：涡激振动潮流能转换装置是适用于低流速、浅水地区的海洋潮流能资源开发的一种新型装置。本文对涡激振动装置的工作机理进行研究，利用涡激振动流体力分解模型，建立了涡激振动方程和预测模型并对预测模型进行了验证。建立涡激振动的数学耦合模型，结合理论分析

2、和预测模型设计了模型实验样机，进行水槽实验，测试流速、弹性系数等参数对涡激振动响应的影响，实验数据验证了数学耦合模型的合理性。关键词：涡激振动；潮流能；水槽实验中图法分类号：TK79文献标志码：A文章编号：1672—5174(2015)10—114—07DO!：10．16441／j．cnki．hdxb．20130399相对于其它各种海洋能形式，潮流能作为一种相对容易开发的能源形式，近年来得到了较大的发展，主要利用能量转换装置把潮汐引起的海水往复运动产生的动能转化为装置运动部件的机械能，带动发电机发电。目前，潮流能发电形式主要是水轮

3、机。考虑到中国的具体海洋环境，中国虽有长达5000多公里的海岸线及较丰富的潮流能储藏量，根据统计，我国沿海地区130个可利用水道中的潮流能蕴藏量有13948．5MW，大部分分布在浙江省、福建省沿海，如舟山地区某些水道，潮流的流速可以达到3m／s以上，但与世界上潮流能资源最好英国、挪威等国家相比，中国沿海的潮流总体上流速偏小，水深较浅。尤其是在中国的北方沿海地区，有相当多潮流流速在1．0m／s左右的海域。由于潮流能的能量密度与流速的立方成正比，因此在潮流流速较低的海域利用水轮机开发海流能，势必需要增大潮流能装置的尺度，对水深也提出了

4、更高的要求，同时由于水轮机需要一定的起转流速，在流速较低时很难实现有效的能量转换，因此水轮机要在潮流流速大于1．5m／s时才能有较好的效益。这样一方面造成许多潮流能资源的浪费，也阻碍了潮流能利用技术在更大范围内推广。因此开发一种能够适合低流速下潮流能有效转换的装置，对于中国尤其是北方潮流流速偏低海域的潮流能开发具有重要意义。基于涡激振动原理的潮流能转换装置是一种新型的开发潮流能方式，在较低的流速情况下，可以将流体的动能高效地转化成潮流能转换装置的动能，继而转化成电能。出于以上考虑，有必要对利用涡激振动原理的潮流能转换装置进行研究L

5、1-3J。数十年来，学者和工程师们一直认为涡激振动是一种有害现象，当流体流过结构物在其后形成流场的泄涡频率与结构物的固有频率相近时引起共振，当振幅大到一定程度时则会引起结构物的损坏，因此对涡激振动研究的重点和目的在于如何减小涡激振动对于海洋立管、桥梁等结构物的负面影响，避免由此引起的疲劳破坏。然而，研究发现，在流速不高的情况下，可以产生很大的振幅，流体的动能大部分被振动体吸收，形成稳定的周期性振荡运动。将这一现象应用到潮流能转换装置中，通过有意识地引起和增强涡激振动，使潮流的动能转换为振动体振动的动能，从而实现潮流能的高效转换。美

6、国密歇根大学最先提出了一种Vor—texInducedVibrationsAquaticCleanEne四(Ⅶ後CE)装置。它是一种基于涡激振动原理的潮流能转换装置，能将潮流水平流动的动能转化为其运动部件的横向振动，然后通过机械传动带动发电机发电。根据实验结果，该装置甚至可以在低于2knot的流速下发出电能，这意味着在全世界大多数有潮流的水道中都可以工作。这种装置如能得到广泛应用，将大大扩展可利用的潮流能资源范围，缓解能源紧缺问题。涡激振动原理的获能装置亦可以优化中国能源结构、促进清洁能源开发、应对气候变化、发展低碳经济等具有战略

7、意义[4]。本文从涡激振动潮流能转换装置发电原理研究出发，通过经验理论方法和实验的方法，研究涡激振动发电模型机在潮流中的水动力特性。1涡激振动原理在均匀来流中，任何非流线型的物体浸没其中，会*基金项目：国家自然科学基金项目(51176175)资助收稿日期：2013—11—12；修订日期：2014—02—12作者简介：袁鹏(1975一)，男，博士，副教授，主要从事海洋能及海洋机电装备方面的研究。**通讯作者：E-mail：wangshujie@OUC．edu．cn10期袁鹏，等：涡激振动潮流能转换装置获能实验研究在物体的背流面形成交

8、替泄放的漩涡，由于漩涡的泄放在物体表面产生不均匀的压强，进而物体受到流向和横向的脉动压力。此时如果物体的移动自由度大于零，则会在脉动压力的作用下诱发物体的周期性振荡。与此同时，物体的振荡运动又会改变边界剪切层分离点的位置，泄放的漩涡发生改变。漩涡作