长宽比对带有T形附件的圆柱体的流致运动与能量采集影响的实验研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：An Experimental Investigation on the Effect of Aspect Ratio on the Flow-Induced Motion and Energy Harvesting of a Circular Cylinder with T-Shaped Attachments

　　

研究人员进行了水槽实验，以研究长宽比（H/D = 0.9–1.9）对弹性安装的带有T形附件的圆柱体（Cir-T-Att）的流致运动（FIM）和水动力能量转换性能的影响。结果表明，长宽比通过调节有效攻角，关键性地控制了涡激振动（VIV）向驰振的转变。虽然较大的H/D在低阻尼下促进驰振和更高的振幅，但在升高的系统阻尼下，这种优势被抵消，振幅被一致抑制。因此，最大功率输出表现出对H/D的非单调依赖性。在所研究的参数范围内，峰值性能出现在H/D = 1.1，总阻尼比ζ_total = 0.122和约化速度U_r = 11.25。对于实际的采集器设计，应通过使预期的振荡状态与局部流动特性对齐来选择最佳H/D。

**论文解读：长宽比对带有T形附件的圆柱体流致运动与能量采集性能影响的实验研究**

**研究背景与问题**

随着工业化与城市化加速，尤其在新兴经济体，能源短缺问题日益突出。海洋能作为可再生能源的重要组成，在低流速水环境（通常低于1.0 m/s）中，传统水轮机因启动流速高而难以有效采集能量。流致振动（flow-induced vibration, FIV）技术，特别是基于涡激振动（vortex-induced vibration, VIV）的能量采集概念（如VIVACE），为低流速能量采集提供了新途径。以往研究主要集中于优化振荡器截面形状，如Y形、叉形、三角形等，以增强振荡幅度与能量转换效率。然而，除了截面形状，振荡器的几何参数——尤其是长宽比（aspect ratio, H/D）——对流体动力学响应和能量采集性能的影响尚未得到系统研究。H/D通过改变有效攻角，可能显著调控VIV与驰振（galloping）之间的转换行为。为此，研究人员开展了水槽实验，系统考察H/D（0.9–1.9）对一种复合截面振荡器（Cir-T-Att，即圆柱体与T形板及附件组合）的FIM特性与能量采集性能的影响，旨在识别最佳H/D，为实际设备设计提供参考。该研究发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。

**主要技术方法**

采用开放式水平循环水槽，将弹性安装的Cir-T-Att振荡器置于宽1 m、水深1.34 m的测试段。振荡器由圆柱体、T形板及三角杆状附件构成，特征宽度D固定为0.10 m，展长l为0.90 m，制造了六种长宽比（H/D = 0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9）。系统刚度K固定为1860 N/m，外部负载电阻R_L = 26 Ω。通过调节励磁电压V_B获得不同总阻尼比ζ_total。利用迟滞位移传感器实时测量振荡位移，电压传感器记录外接电阻两端电压。通过自由衰减试验确定系统阻尼与固有频率。雷诺数（Reynolds number, Re）范围为5.5×10⁴至1.2×10⁵，对应TrSL3流动状态。分析中计算了无量纲振幅比A^*（=A/D）、频率比f^*（=f_osc/f_n,air）、有效功率P_harn、上限功率P_UL及上限效率η_UL。

**研究结果**

**3.1 长宽比对振荡响应的影响**

针对六种H/D，在不同阻尼条件下测试振荡响应。结果显示，振荡器表现出三种响应类型：软驰振（soft galloping, SG）、硬驰振（hard galloping, HG）及临界驰振。随着H/D增大，振荡器能够克服的总阻尼范围扩大，VIV向驰振的转变趋势增强。

- H/D = 0.9：在低阻尼（ζ_total ≤ 0.134）下呈现SG，振幅随约化速度U_r连续增大；高阻尼（ζ_total ≥ 0.173）下呈现HG，需外部激励才能从VIV下分支跃入驰振分支。
- H/D = 1.1：在ζ_total ≤ 0.224内为SG；当ζ_total > 0.286时出现临界驰振，振幅下降但频率上升。
- H/D = 1.3：低阻尼为SG，高阻尼下（ζ_total = 0.516）可通过外部激励实现HG，但ζ_total = 0.965时无法维持稳定驰振。
- H/D = 1.5：在整个阻尼范围内（0.087 ≤ ζ_total ≤ 1.483）始终呈现SG，未出现临界驰振。
- H/D = 1.7和1.9：在可实现阻尼范围内均为SG，但频率响应受H/D影响显著，f^*分别稳定在约0.55和0.47。

总结：H/D增大扩大了振荡器的阻尼工作范围，增强了驰振倾向，VIV上分支逐渐缩小直至消失，VIV-驰振过渡分支形成并扩展。

**3.2 有效发电**

在各阻尼条件下，有效功率P_harn在低U_r的VIV阶段较低，进入驰振分支后显著增大。对于H/D = 0.9、1.1、1.3，SG响应下P_harn随U_r单调增加；HG响应下，当振动落入VIV下分支时P_harn骤降至零，外部激励后重新升高。最大有效功率出现在H/D = 1.5，达12.921 W（ζ_total = 1.483，U_r = 11.62）。H/D > 1.5时，由于水面大变形影响振荡稳定性，最大功率下降。

**3.3 上限功率输出**

上限功率P_UL在不同H/D下表现出类似趋势：H/D较小时（0.9、1.1、1.3）存在HG响应，P_UL在驰振分支随阻尼增大而升高；H/D较大时（1.5、1.7、1.9）始终为SG，P_UL单调增加。最大P_UL为26.54 W，出现在H/D = 1.1、ζ_total = 0.122、U_r = 11.25，此时振荡尚未进入驰振分支。这表明最佳功率输出不一定在驰振分支中，实际设计中应根据目标振荡模式选择H/D。

**3.4 上限发电效率**

上限效率η_UL随U_r先增后减，最大值达60.0%，出现在H/D = 1.1、ζ_total = 0.122、U_r = 7.92。

**3.5 同一阻尼比条件下的参数分析**

以ζ_total = 0.122为例，比较六种H/D的振幅比、频率比和上限功率。振幅比排名：H/D = 1.1 > 1.3 > 1.5 > 1.7 > 1.9 > 0.9；上限功率排名：H/D = 1.1 > 1.3 > 0.9 > 1.5 > 1.7 > 1.9。综合性能以H/D = 1.1最优，其振幅比和功率输出均为最高。

**研究结论**

该实验研究系统揭示了长宽比（H/D = 0.9–1.9）对Cir-T-Att振荡器流致运动特性和能量采集性能的影响。主要结论如下：
（1）长宽比强有力地控制振荡器的响应。增大H/D使振荡器在更宽的总阻尼范围内维持大振幅振荡，并促进涡激振动（VIV）向驰振的转变。
（2）在VIV分支内，增大H/D导致更高振幅比但更低频率比；而在驰振分支内，振幅比和频率比均随H/D增大而下降。
（3）长宽比同时影响振动振幅和振荡频率；能量采集性能对H/D呈非单调依赖，而非随H/D线性提高。在本实验范围内，最大上限输出功率为26.54 W，出现在H/D = 1.1、总阻尼比ζ_total = 0.122、约化速度U_r = 11.25。
（4）尽管较大长宽比扩大了VIV分支的工作范围，但通常降低了驰振分支的能量采集性能。实际工程中应根据目标振动模式和局部流动条件谨慎选择长宽比以优化能量转换。
（5）除截面构型外，长宽比H/D被确认为一个关键几何体参数，显著影响Cir-T-Att振荡器的流致振动响应和能量采集性能，应在FIM能量采集装置的工程开发中与截面设计一并考虑。