[发明专利]一种基于主动旋转椭圆柱的流致振动能量利用方法

说明书

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。

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。