机械耦合旋转圆柱体的流致振动能量俘获增效机制研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Flow-induced vibration and energy harvesting of an elastically mounted circular cylinder with mechanically coupled rotation

本研究针对传统流致振动(FIV)能量俘获效率低的问题，通过数值模拟方法系统探究了机械耦合旋转圆柱体在低雷诺数(Re=100)条件下的流固耦合响应。研究发现通过调节流动方向角β可诱导涡激振动(VIV)和驰振两种锁频模式，当β=90°时驰振振幅随折减速度Vr增大呈线性增长。创新性地提出将线性电阻尼系数ζe=0.04作为能量转换最优参数，在Vr=20时俘获功率达传统非旋转圆柱体的30倍，最大能量转换效率达42.4%。该研究为开发高性能流体动能俘获装置提供了新范式。

　　

在可再生能源技术蓬勃发展的今天，从环境流体中俘获能量已成为前沿热点。传统流致振动能量俘获装置主要基于涡激振动现象，但存在振幅有限、锁频区间窄等瓶颈。2012年Nitti等人提出机械耦合旋转圆柱体的创新构型，通过圆柱体沿导轨滚动实现平移与旋转的耦合运动，为突破能量俘获效率天花板带来了曙光。

本研究采用计算流体动力学与结构动力学耦合的数值方法，通过任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法处理流固耦合边界，使用Petrov-Galerkin有限元法求解Navier-Stokes方程。建立包含等效质量项me的非线性运动方程，系统分析雷诺数Re=100、质量比m=8条件下，流动方向角β(-90°至90°)和折减速度V_r(2-20)对振动响应的影响。通过网格无关性验证确保计算精度误差小于1.2%，采用谐波分解法量化流体力与力矩的相位关系。

振动响应模式调控机制

研究发现通过调节β角可实现振动模式的定向调控：当β=45°-90°时出现驰振现象，振幅随V_r增大持续增长且无上限；β=-90°至0°仅存在VIV锁频区。特别当β=90°时，圆柱体向上运动引发顺时针旋转产生Magnus升力，形成自激振动的正反馈机制。

锁频区相位跃迁规律

通过位移与等效力F_e的相位差Δψ分析发现：VIV锁频区内存在0°至180°的相位跃迁，而驰振区Δψ恒为0°。当β=45°时出现VIV与驰振的分离现象，二者在V_r=5.5处存在明确分界。

能量传递路径解析

量化流体力功率E_F与力矩功率E_T发现：在驰振区流体力始终作功(E_F>0)，而力矩耗能(E_T<0)；VIV区则呈现相反规律。高振幅振动时E_F值可达低振幅工况的数十倍，揭示力矩在能量传递中起阻尼调节作用。

涡街演化特征

大振幅驰振工况下，圆柱体单周期内可脱落18个涡旋，涡街呈锯齿形排列。当旋转速率α=1.78时未达到涡脱抑制临界值(α=1.8)，维持稳定的能量俘获状态。

能量俘获性能优化

在β=90°最优构型下，电阻尼系数ζ_e=0.04时实现最大俘获功率E=2.8，对应效率η=42.4%。比较研究表明：驰振区俘获功率随V_r增大持续增长，V_r=20时功率值较传统VIV装置提升30倍。

该研究通过机械耦合旋转创新性地将传统圆柱体的流致振动响应从有限振幅的VIV拓展至无界增长的驰振 regime，首次实现通过流动方向角定向调控振动模式。所揭示的力-力矩协同作用机制为高性能流体动能转换装置设计提供了理论依据，42.4%的能量转换效率标志着流致振动能量俘获技术取得重要突破。未来通过三维效应优化和湍流工况拓展，该技术有望在海洋能开发、智能传感等领域发挥重要作用。