柔性水翼动态参数变化对能量捕获性能的影响机制研究

本研究针对柔性水翼在完全被动模式下能量捕获效率优化难题，通过建立流体-结构耦合(FSI)数值模型，系统分析了垂荡阻尼Dh、俯仰阻尼Dθ、弹性系数kh/kθ等动态参数对振荡水翼能量捕获性能的影响规律。研究发现尾缘柔性变形可增强尾涡强度，优化前缘涡发展过程，在Dθ*=0.06时实现37.8%的捕获效率和1.56的平均功率系数，为潮汐能装置设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球对清洁能源需求的日益增长，潮汐能因其稳定性和高能量密度成为研究热点。在各类潮汐能捕获装置中，振荡水翼技术因其环境友好性和浅水适应性备受关注。然而，传统刚性水翼在完全被动模式下的能量转换效率长期徘徊在20%-34%之间，如何通过结构优化突破效率瓶颈成为关键科学问题。尤其当水翼采用柔性变形设计时，其动态参数与流体运动的复杂耦合机制尚不明确，严重制约了该技术的工程应用。

针对这一挑战，国内研究人员在《Applied Ocean Research》发表了创新性研究成果。该团队构建了基于NACA0012翼型的二维流体-结构相互作用(FSI)模型，采用Spalart-Allmaras湍流模型和SIMPLE算法求解非定常RANS方程。通过拉格朗日方程建立包含垂荡/俯仰双自由度的弹簧-阻尼系统，引入尾缘柔性变形控制方程δ=δ_mx_n/(x_max-z)ⁿsinθ，系统研究了4类动态参数对自激极限环振荡(LCO)特性的影响。

4.1 俯仰阻尼系数的影响
研究发现D_θ存在最优值0.06，此时尾涡强度增加延迟了前缘涡生成，延长高升力系数C_l持续时间。相位分析显示该参数下运动同步性最佳，能量捕获效率达37.8%，较基准参数提升13.8%。当D_θ>0.09时，过大的阻尼导致前缘涡脱落-再附着现象消失，功率系数C_p下降23%。

4.2 垂荡阻尼系数的影响
D_h=1.5时系统达到性能峰值，效率31.367%。值得注意的是，该参数主要通过调节垂荡位移h改变扫掠面积，对涡流结构影响较小。当D_h^*从1.2增至1.8时，最大位移线性减小0.42c，但频率仅波动4.7%，表明其对系统稳定性具有调节作用。

4.3 俯仰弹性系数的影响
k_θ<0.035时系统性能稳定，在k_θ=0.025时效率达32.49%。当k_θ^*≥0.035时，过大的恢复力导致俯仰角θ变化迟缓，使前缘涡演化过程受阻，效率骤降41.2%。相平面分析揭示该参数通过改变力矩系数C_m相位影响能量输入时机。

4.4 垂荡弹性系数的影响
k_h调控呈现非线性特征：k_h=1.0时平均功率达峰值1.147，而k_h=1.2时效率最高(31.65%)。特别当k_h<0.8时，柔性尾缘的被动变形使运动轨迹发生分岔，导致涡流相互作用模式改变。

该研究首次阐明了柔性水翼动态参数与能量捕获性能的定量关系，揭示了"尾涡调控-前缘涡延迟-运动同步"的协同增效机制。所提出的参数优化方案使完全被动模式效率突破37%，较传统刚性水翼提升81%，为浅海环境下的潮汐能装置设计提供了新思路。特别是通过k_h^*调控扫掠面积的技术路径，有效解决了浅水应用中的空间约束难题。这些发现不仅推动了流体力学与能源工程的学科交叉，也为后续开发仿生自适应水翼系统奠定了理论基础。