柔性圆柱体涡激振动能量提取的数值模拟与优化研究：基于多材料及宽参数域的高效能量捕获分析

本研究针对柔性圆柱体在均匀流中涡激振动(VIV)能量提取效率的复杂性问题，采用尾流振子模型(WOM)系统探究了长径比(L/D=150/250/400)、阻尼比(ζ)和材料(钢/铝/CFRP)对能量捕获的影响。通过构建高分辨率效率云图，发现CFRP材料在宽泛流速(U)和阻尼条件下均表现最优，其高弯曲刚度(EI)与适度密度的特性可实现高效变形与快速响应，为海洋可再生能源技术提供了关键设计依据。

　　

在海洋可再生能源开发领域，如何从低速水流中高效提取能量一直是技术瓶颈。传统刚性圆柱体的涡激振动(VIV)能量捕获装置虽结构简单，但存在适应性差、效率受限等问题。而柔性圆柱体因其独特的流固耦合特性，能通过大变形将流体动能转化为机械能，展现出巨大潜力。然而，柔性结构的复杂动力学行为受材料属性、几何参数和流体条件多重影响，此前缺乏系统性研究。印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究，首次通过数值模拟揭示了柔性圆柱体VIV能量提取的优化规律。

研究采用尾流振子模型(WOM)这一经实验验证的降阶模型，规避了计算流体动力学(CFD)的高计算成本问题。通过设置固定-固定边界条件，模拟了钢、铝、碳纤维增强聚合物(CFRP)三种材料在不同长径比(L/D=150/250/400)下的振动响应，结合线性阻尼器网络提取能量。关键参数包括斯特劳哈尔数(St=0.18)、无量纲流速(U_r)和阻尼比(ζ)，采用高精度时空离散化(Δt=1, Δz=0.0001)确保结果可靠性。

模型描述
建立固定端柔性圆柱体的三维振动方程，引入Van der Pol振荡器模拟尾流涡脱。通过加速度耦合项解决传统位移-速度耦合的局限性，显著提升对高阶模态振动的预测精度。

验证
与Gao等(2017)的实验数据对比显示，在雷诺数Re=9.23×10³-5.54×10⁴范围内，横向振动(RMS)幅值误差<5%，证实模型在亚临界流态的有效性。

能量提取
创新性地在振动波腹点布置并联阻尼器阵列，通过优化阻尼比(ζ)实现最大功率输出。发现效率峰值出现在中等阻尼区间(ζ=0.1-0.3)，过高阻尼会抑制振动而降低能量捕获。

结果与讨论

1. 材料性能：CFRP以18.7%的峰值效率远超铝(12.3%)和钢(8.5%)，归因于其最优的EI/ρ比值(刚度-密度比)；
2. 长径比效应：L/D=250时出现全局效率最大值，过大的长径比(400)导致模态混杂而降低能量集中度；
3. 流速影响：在U_r=6-8区间形成"高效平台"，对应锁频(lock-in)状态下的持续大振幅振动；
4. 阻尼调控：CFRP在ζ=0.15时保持>15%效率的流速带宽比钢材料宽47%。

结论
该研究首次绘制出柔性圆柱体VIV能量提取的全参数效率图谱，证明CFRP材料配合L/D≈250的几何设计可在宽流速范围内实现稳定高效的能量捕获。其揭示的"中等阻尼最优"规律为实际阻尼器设计提供定量依据，推动海洋能装置从刚性结构向适应性更强的柔性系统转型。未来研究可结合非线性阻尼策略进一步拓展高效工作区间。