尾流干涉下圆柱流致振动的俘能实验设计

王阳阳，娄 敏，刘馨涵

（中国石油大学（华东）a.石油工程学院；b.非常规油气开发教育部重点实验室，山东青岛 266580）

0 引言

为顺应“建设海洋强国”战略需求与“3060 双碳”目标［1］，迫切需要培育海洋工程新兴产业领域的技术人才，不断提高海洋的开发能力，以推动我国科技革命与产业升级［2］。将相关领域的前沿科技成果与实际教学过程相结合［3］，设计实验项目以提升学生对交叉学科的基础理论综合运用能力及创新实践动手能力，成为高校教学改革的重点思考方向［4-5］。

我国各类海洋能资源储量丰富，随着海洋能开发利用的快速发展，现有俘能装置的局限性愈发突出［6-8］。海洋细长结构物在流致振动过程中提供丰富的能量，通过能量转换器件（压电材料、静电材料等）可将振动机械能转换为电能。同时，由于流致振动俘能可以避开传统水力发电装置对环境与流速的要求，实现海洋能的高效利用，因此成为当下的研究热点［9-10］。

海洋振子流致振动能量俘获效率依赖于诱发的振动类型，其中尾流激振具有优秀的能量获取潜力［11-12］，因此基于尾流干涉的圆柱流致振动设计了海洋俘能实验。设计了实验装置与方案，开发了直立式圆柱流致振动俘能系统，通过压电悬臂梁中的压电材料将圆柱振动机械能转变为电能，从而实现海流能-机械能-电能的转化。在此基础上，进一步研究不同振动圆柱间距布置对海洋能采集效率的影响规律。该实验涉及多学科交叉融合，通过“思考—设计—动手—分析”全流程实验方案，提升学生的理论认知与解决综合问题的能力。

1 实验内容

1.1 实验装置

该实验在随机波流耦合水槽中完成，水槽长60.0 m、宽3.0 m，最大工作水深1.5 m，最大流速约0.6 m／s，水槽底部的钢制材料可用于支撑装置固定，水槽两侧嵌有透明玻璃以便于实验现象观察，如图1 所示。根据实验需要设计支撑装置，将实验模型固定在水槽中。支撑装置由截面尺寸为40 mm ×40 mm 和40 mm ×80 mm的铝材组装而成，实验前对该支撑装置进行稳定性验证，确保实验过程中稳定支撑。支撑板材为7075 铝合金材料，满足支撑结构的强度、承重要求；在支撑板上布设一系列定位孔，以达到模型间距的准确性。为获得较大流速范围，对水槽进行束流，流速范围为0～1.2 m／s。多普勒测速仪放置在实验模型距来流方向2 m处，进行流速监测，以保证实验过程中获得平稳的均匀流。

图1 实验装置

实验模型通过万向节固定在支撑顶板、底板之间，实现实验模型自由振动。万向节根据实验模型尺寸设计，主体由2 节组成，连接支撑板一节设有内螺纹，通过螺丝与支撑板固定；连接实验模型端部一节对称开4 个孔，配有顶丝（专用螺栓）以加强与实验模型连接的紧密性，万向节内径与实验模型外径一致。

流速是水动力实验的一个重要参数。多普勒测速仪流速测量范围为0～4 m／s，采样频率为1～200 Hz。实验过程中调节采样频率，通过声学原理捕捉流体实时流速。将多普勒测速仪固定在水平支撑板上，保证多普勒测速仪处于来流方向的中间位置。在实验模型表面布设裸光纤光栅，使用光纤光栅传感器获取圆柱模型的实时动态应变。每根圆柱体布置4 根光纤，在圆柱体上每隔90°对称布置。根据理论计算的柱体振动模态数量，在每根光纤上布置8 个测点，间隔距离固定为300 mm。通过光纤光栅传感器实时获得实验模型的动态应变。以对称位置两测量点的平均应变作为柱体的应变，通过Lie 等［13］提出的模态分析方法处理柱体振动响应的动态应变信息，得到振动响应过程中的位移，计算式如下所示：

式中：t为时间；ε1（z，t）、ε2（z，t）为同方向上2 个对称测点实时应变；R为柱体特征长度；L为柱体轴向长度；ωn（t）为最小二乘法计算出的权重函数；n为循环周期数。

1.2 实验模型

对圆柱在尾流干涉作用下的振动响应进行研究。实验过程中，来流方向均垂直于特征长度方向。图2给出了尾流干涉下圆柱布局示意图，其中2 个扰流柱之间的横向间距用lTD表示，扰流柱与尾流柱之间的流向距离用lLD表示。实验过程中的振动柱体物理参数如表1 所示。

表1 柱体物理参数

图2 尾流干涉下圆柱布局示意图

1.3 流致振动俘能系统

实验模型如图3 所示。直立式流致振动俘能装置由压电悬臂梁和振动柱体组成［14］，其中压电悬臂梁由压电片（PZT-5A）和T2 紫铜板组成。通过4 个对称的轻型螺钉将处于对称位置的压电悬臂梁与振动柱体连接，扰流柱和直立式流致振动俘能装置的位置可通过移动上顶板进行调节。在整个实验中，压电悬臂梁垂直于来流方向。在来流的作用下，整个结构产生周期性振动。将对称位置压电片的正负极并联后连接到数据采集器上，实时采集电压。实验中所有柱体的长度和迎流宽度都保持相同，俘能装置的相关物理参数如表2、3 所示。实验中选取104 Ω作为测试电阻值。

表2 压电悬臂梁物理参数

表3 压电片物理参数

图3 直立式流致振动俘能装置结构示意图

2 结果与讨论

尾流干涉下，尾迹和漩涡脱落之间相互影响，即可能增加振动频率，也可能减小振动频率［15］。为了更清楚地描述不同尾流横向距离下耦合干涉效应的变化，引入了“频率干涉比ζy”的概念［16］，通过划分频率增强区（ζy≥1）和频率减弱区（ζy＜1）来具体分析干涉效应下的频率变化。频率干涉比计算式如下所示：

式中：fdy为尾流干涉下的柱体横流向振动主频；fody为孤立状态下的柱体横流向振动主频。

引入“位移干涉效率ηy”的概念［16］，进一步分析尾流干涉下振动振幅的变化，通过划分位移干涉减弱区（ηy＜0）和位移干涉增强区（ηy≥0）来具体分析干涉效应下的振动促进或抑制变化。位移干涉效率ηy计算式如下所示：

式中：yrms为尾流干涉下的柱体横流向振幅均方根；yody为孤立状态下的柱体横流向振幅均方根。

2.1 圆柱尾流干涉效应分析

以横向距离lTD＝2D（D为特征长度）为划分标准，对不同流向距离（lLD＝2D，3D，4D，6D，8D）下干涉效应进行分析。如图4（a）所示，流向距离lLD＝2D，4D2 种工况下频率干涉比始终位于频率减弱区（ζy＜1），其余3 种工况下，频率均随约化速度Ur的增加由增强区进入减弱区，并且在频率减弱区内所有工况的频率干涉比变化相似。如图4（b）所示，不同流向距离下的位移干涉效率变化趋势一致，仅在数值大小上存在差异，在整个实验过程中均位于位移干涉增强区（ηy≥0）。由此说明，当横向距离lTD＝2D时，位移干涉效率表现积极，促进尾流干涉下圆柱振动；随着流速的增加，圆柱频率干涉比变化无明显差距，即流速较大时，频率干涉比基本不随流向距离的变化而变化，进而证明流向距离的改变只影响激励水动力的大小而不改变频率。

2.2 振动俘能结果分析

研究表明，悬臂梁式压电俘能结构的振动位移和输出电压成正比，因此可以利用振动位移来解释输出电压的变化。图5 给出了尾流干涉下lTD＝2D，lLD＝2D，Ur＝9.95 时的位移时程曲线和电压时程曲线。可以看出，在振动过程中结构产生了周期性振动。这种周期性振动可驱动俘能结构中的压电悬臂梁摆动，摆动过程中压电片上的正负电子移动从而产生电压，当产生的电压足够大且稳定时，可对电压进行收集，为器件提供稳定电能。

图5 俘能系统时程曲线

尾流干涉下lTD＝2D时输出功率变化如图6 所示。在lLD＝2D时输出功率最大，这是由于该流向距离下发生驰振响应，导致振幅较大，此时输出功率是孤立状态下的5 倍。其他工况下输出功率均呈现先增大后减小的趋势。

图6 尾流干涉下圆柱输出功率变化曲线

3 结语

通过直立式圆柱流致振动俘能系统实现了海流能—机械能—电能的转化，并通过对比不同间距下圆柱振子实验数据探讨了海洋能采集效率最优的布局形式。该实验方案不仅可用于海洋结构物水动力性能研究，还可通过振动机械能的输出功率对能量采集效率进行评估，是一项涉及多学科交叉融合的综合性实验。通过该实验可充分锻炼学生分析问题、解决问题的能力，加强学生对相关领域理论知识的理解与应用。

·名人名言·

我从来不记在辞典上已经印有的东西。我的记忆力是运用来记忆书本上还没有的东西。

——爱因斯坦