摘 要摘 要随着全球经济的发展，对能源的需求越来越大，急需寻找可再生能源，替代地球上有限的不可再生能源，以解决能源危机。而海流中蕴藏着丰富的可再生能源，如果这些能源能够被捕获和利用，将会改善不可再生能源日趋枯竭的现状。涡激振动发电装置是通过利用涡激振动效应，捕获海流能的设备，是一种在较低流速条件下的低成本海流能发电方式，该技术的应用成为了当今世界学者们的研究热点。本文主要研究单柱体在海流能捕获能量效率方面的分析，包括理论分析与数值模拟分析，在数值模拟中，本文分别对不同截面形状和不同参数两个影响方面进行研究。本文首先对涡激振动捕获海流能原理进行了理论分析，利用数学方程、能量转化模型，整理出相关的关键参数，建立了获能效率的方程；在数值模拟方面，本文确定了“频锁”范围，选择合适的流速后，计算得出振幅、频率等相关参数，并且结合第二章所建立的方程，将计算结果进行处理。以上为本文主要研究内容的概述，本文的结论包括以下几个方面对单柱体涡激振动捕获能量进行双自由度分析，通过建立的数学模型和公式，本文推导得到了获能效率公式。使用ANSYS软件，在流速
下，通过数值模拟得到单柱体在不同截面形式下的响应情况，分析发现梯形的涡激振动十分不规则，正方形截面形式柱体比圆形、梯形、三角形这三种截面形式下柱体的最大升力和最大拖曳力大；并且得到了各个截面形式下的尾涡模式。利用第二章的获能效率公式，并把数值模拟得到的数据代入比较，发现捕获效率在约化速度
、阻尼比系数
下最大。关键词涡激振动；捕获能量；效率；不同截面形状；阻尼比；单柱体
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2涡激振动发电原理 1
1.3国内外研究现状 3
1.4研究内容和研究方法 5
第二章 涡激振动获能效率原理 7
2.1基本参数 7
2.2基本理论 10
2.2.1控制方程和湍流模型 11
2.2.2柱体的运动方程 13
2.3能量转化模型 14
2.4小结 16
第三章 不同截面对涡激振动的影响分析 17
3.1 数值模拟流程 17
3.1.1几何模型和网格划分 17
3.1.2
 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ￥351916072￥ 
CFX的设置 17
3.2不同截面的涡激振动响应分析 19
3.2.1圆形截面的涡激振动响应分析 19
3.2.2正方形截面的涡激振动响应分析 20
3.2.3梯形截面的涡激振动响应分析 22
3.2.4三角形截面的涡激振动响应分析 24
3.2.5结果对比与讨论 25
3.3小结 27
第四章 不同参数对涡激振动的影响分析 28
4.1引言 28
4.2不同约化速度对获能效率的影响 29
4.3不同阻尼比对获能效率的影响 30
4.4小结 31
结论与展望 32
结论 32
展望 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1选题背景
随着世界各国经济的高速发展，经济大国包括中国对煤炭、石油等一次性能源的需求越来越大，尽管日趋成熟的开采技术在海洋上崭露头角，为各国提供了大量的新油气资源，但化石能源总量是有限的，同时随着不断被消耗且排放大量的二氧化碳，而日益枯竭，鉴于此，对可再生能源的研究迫在眉睫，来替代不可再生能源，以解决能源危机。
海洋面积大约占整个地球表面的71%，海水中蕴藏着丰富的可再生能源，海洋中可利用的能量远远超过目前世界能源需求的总和。海洋能有多种多样的形式，主要有潮汐能、波浪能、海流能、温差能等等，近些年来，利用海洋能发电的技术得到了快速发展，许多国家的科技研发者开发了各式各样的发电系统，部分已经建造好的试验电站，投入了商业化的营运。与其它海洋能形式相比，潮汐能是一种较易开发的能源形式，把由潮汐能引起的海流往复而带来的动能，转化为能量转换装置内部运动部件的机械能，从而引发发电机进行发电。现在潮汐能的主要发电装置是水流涡轮机，虽然水流涡轮机的使用把潮汐能转化为电能，加以储存，但是根据国内海洋的海流情况，我国海岸线比较漫长，并且我国经济发达地区位于东部沿海地区，需要大量能源消耗，北方沿海地区的流速大约在1m/s，而涡轮机需要2m/s的流速才能产生良好的效益，且温度低易形成冰冻，涡轮机不能工作在没有波浪的冰冻海面上；浙江省、福建省等沿海流速虽可达3m/s以上，但是这些区域海底深度不大，涡轮机外形庞大，需要一定的深度才能很好地运行；美丽富饶的南海区域，经常遭受台风，制造成本高的涡轮机也不适合在这里工作。但是，基于涡激振动的海流能捕获装置，可以在甚至只有0.25m/s的流速下捕获能量，而且几乎不会导致生态不平衡，且不需要太多维修费用。因此，利用涡激振动在海底低流速条件下将海流能转换成绿色清洁能源— —电能，将成为一种重要的可再生能源的捕获方式，对于国内解决能源危机、加快清洁能源开发、发展低碳经济具有重大意义。除此之外，我国正在实施“海洋强国战略”和可再生能源开发等发展战略，所以，对这种重要的海洋资源和清洁能源的开发与利用，是我国和世界上其它国家发展战略的重要组成部分。[1]
1.2涡激振动发电原理
许多年来，涡激振动被视作一种有害现象，在如桥梁、烟囱、海洋结构等工程领域，如图11，因为流体通过结构物出现的涡激振动现象，会导致结构物出现疲劳破坏，应避免或减弱该现象的发生。利用涡激振动进行发电，是对涡激振动研究的反向探索，将更多的海流能转换为电能，因此，需要对涡激振动的基本原理进行探讨。
/ /
图11：涡激振动下损坏的桥梁
涡激振动是属于流固耦合现象，流体通过结构时，由于粘性作用和柱体表面粗糙度等因素产生的阻滞效应，在雷诺数较大时（流体惯性力很大），边界层会在结构径向位置最大的地方脱离圆柱体表面，圆柱体表面脱离点的剪切层速度等于零，之后剪切层中在靠近结构的内层速度方向与来流速度方向相反，因为剪切层内层速度小于剪切层外层速度，便会导致漩涡的产生以及结构两侧开始交替泻涡，如图12。交替脱离的泻涡又会导致在结构上沿顺流向及横流向发生周期性变化的脉动压力。若柱体是被弹性支撑的，或者属于柔性柱体允许发生弹性变形，那么，脉动压力将会使柱体周期性地振动，这种柱体发生振动反过来又会影响其尾流的泻涡脱离形态的流固相互作用的问题，被称作“涡激振动”。


图12交替泻涡示意图
当泻涡频率的变化数值靠近柱体的固有频率时，在一定流速、流域环境下，泻涡频率会受到结构振动的影响，使得泻涡频率保持在结构固有频率的附近，这个现象本文称作“频率锁定（Lockin）”。此时结构的振幅会变大，升力也变大，从而导致柱体的剧烈振动，同时促进海流能装置捕获更多的可再生能量。一般海洋工程中圆柱体是主要形式，所以对圆截面的柱体研究比较深入，为了对涡激振动原理有更深的理解，从而促进捕获效率的提高，本文有必要对不同截面形状的柱体进行探究。[2]
涡激振动的研究是海流能捕获效率的一部分，还存在其它因素的影响。本文需要对此种发电原理进行简单的阐述。海流能捕获装置是一种利用涡激振动效应的发电装置，是一种能量转换收集装置。当海水流过振动体时，在一定条件下引发振动体进行涡激振动，使海流能中的机械能转化为振动体的动能，然后振动体的动能传递给发电机，发电机包括静止的定子和运动的动子，振动体的动能转化为动子的机械能，基于电磁感应定律，切割磁感线而产生电能，最后再将电能加以储存。[3]

原文链接：http://www.jxszl.com/jtgc/cbyhy/76883.html