串联无叶片风力发电机下游非对称薄钝体的流固耦合分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Fluid–structure interaction analysis of an asymmetric thin downstream bluff body for a tandem bladeless wind turbine

　　

# 细长下风钝体诱发无叶风机的自激振荡

• 细长的下游钝体能够引发无叶风机的自激振荡。
• 非对称厚底板（TDB）实现最高的电压、功率输出和自激能力。
• 最优间距和纵横比最大化流体—结构能量传递。
• 粒子图像测速（PIV）和 proper 正交分解（POD）揭示了增强的涡旋相互作用和相干尾流组织。
• 旋度分析表明尾流更加相干且能量效率更高。

## 引言

将环境流体流动能量转化为可用的电能，作为支撑可持续和分布式能源系统的手段，引起了广泛关注 [1]、[2]。流动诱发振动（FIV），包括涡激振动（VIV）、颤振、尾流诱发振动（WIV）和颤振，提供了多种将风或水的动能转化为结构运动并进一步转化为电能的机制 [3]。此类能量收集器的性能取决于来流、钝体几何形状、结构动力学和机电转换系统之间的耦合相互作用 [4]。这些原理支撑了流动诱发振动能量收集器和无叶风机的开发，作为传统旋转式涡轮机的紧凑替代品 [5]。然而，其实际应用仍受限于振动幅度有限、有效工作范围窄、振荡起始不可靠以及相对较低的能量转换效率。因此，大量研究集中于修改钝体几何形状和系统构型，以增强气动激励并改善流动诱发振动响应 [6]。压电能量收集器特别适合此目的，因为压电元件的流动诱发变形可以直接转化为电能输出 [7]、[8]。

现有改善基于流动诱发振动的能量收集的努力大致可分为两类：修改主要钝体和引入被动几何附件或二次结构。对于第一种方法，研究人员考察了截面形状 [9]、[10]、结构尺寸 [11]、柔性分流板 [12]、间距布置 [13]、[14] 以及能量转换元件的机械载荷 [15] 的影响。众多仿生和几何修改钝体，包括苹果形 [16]、雪花形 [17]、覆冰导线 [18]、蜻蜓翅形 [19] 和花瓣形配置 [20]、[21]，被提出以修改流动分离、促进不稳定性并增加振动幅度和转换效率。相关研究表明，放置在150°角度的方形被动湍流控制杆可以促进涡激振动—颤振耦合响应并最大化机械功率 [22]，而战略性布置的粗糙度条带可以诱导出大振幅颤振，振幅与直径比接近三 [23]、[24]。其他概念，包括自由旋转的五角星叶轮安装在弹性支撑圆柱体上 [25]、被动变形蕨叶结构 [26] 以及配备仿生尾鳍的圆形圆柱体 [27]，进一步证明几何适应性可以显著改变尾流动力学和结构不稳定性。基于机器学习的优化也在不同雷诺数条件下确定了菱形和圆形钝体为有利的几何形状 [11]。尽管这些研究证实了几何设计的重要性，但大多数聚焦于修改或附加组件直接到振荡主体上。此类修改可能会增加结构复杂性并改变振荡器的质量、刚度、阻尼或机电特性。因此，一种不同的被动策略是保持主要振荡体不变，同时通过单独的干扰体控制其尾流。特别是，先前研究表明，下游矩形板可以诱使圆形圆柱体产生颤振型振荡并拓宽其有效能量收集范围 [28]、[29]。

第二种主要策略采用多个钝体或下游辅助结构来利用尾流干扰并增强气动激励。受鸟类"升力共享效应"启发的错列双圆柱系统，通过上游尾流与下游振荡器之间的相互作用展示了增强的能量输出 [30]。类似地，Awadallah 等人 [31] 和 Wang 等人 [32] 研究了三个圆形或半圆形圆柱体的串联布置，并报告称适当组织的尾流相互作用可以改善能量收集性能。其他研究考察了上游尾流的影响 [33]、圆柱体高度比 [34]、[35]、多体相互作用 [36] 和结构刚度比 [37]，证实几何和动态参数共同支配多体收集器的响应。Tamimi 等人进一步表明，串联菱形振荡器可以优于可比的方形和圆形配置，因为它们的尾流诱发振荡更强 [38]。最近，Rajabi 等人报告称，串联方形圆柱体之间的尾流干扰可以使位移和产生的电压分别增加多达356.5%和171.9%，具体取决于尺寸和间距比 [39]。相关的多组件概念包括串联旗标 [40]、与未附连的下游方形板相互作用的振荡圆柱体 [41] 以及耦合圆柱体—旗标系统 [42]，它们利用尾流诱发变形或振荡进行能量收集。总体而言，这些研究展示了尾流干扰的潜力；然而，许多现有配置采用相同或几何对称的上游和下游体，或允许两个组件都振荡。因此，几何上不同、固定且细长的下游体在重新组织振荡主要圆柱体尾流方面的独立作用仍理解不足。此外，下游体间距、纵横比、宽度、截面形状和非对称性的组合效应很少在统一的实验框架内进行评估。

主动流控制方法也被开发用于操纵钝体尾流并改善能量提取 [43]，包括用于调节涡旋形成和气动力的等离子体执行器 [44]。并行地，先进的实验和计算方法改善了复杂流体—结构相互作用的分析和预测 [45]、[46]。深度学习方法已应用于建模和预测压电能量收集系统的性能 [47]，而物理信息神经网络最近通过在框架内嵌入控制物理关系，实现了在数据稀缺条件下预测流动诱发振动响应 [48]。数值模拟 [49]、[50] 和实验技术如粒子图像测速（PIV）[51] 也提供了关于涡旋形成、尾流相互作用和流体—结构耦合的详细信息。然而，主动控制和数据驱动方法通常需要额外的执行器、训练数据、计算资源或控制基础设施。因此，精心设计的固定下游体仍然是一种有吸引力的被动替代方案，因为它可以重新组织尾流，而无需直接修改振荡体或需要外部控制能量。

除了流体动力学性能之外，压电风能收集器（WEH）对于供应小型和分布式设备也具有吸引力，包括微机电系统（MEMS）、低功耗电子、无线传感器网络（WSNs）和物联网（IoT）设备 [52]。其紧凑的尺寸、有限的安装要求和在受限环境中运行的潜力也使其与交通隧道、地下矿井和城市基础设施相关 [53]、[54]。代表性应用如图1所示。图1(a)展示了安装在隧道中的无叶风能收集器（BWEH）为物联网和无线传感器网络供电，而图1(b)说明了其在可持续城市环境中与其他可再生能源技术集成的可能性。图1(c)根据全球风图集 [55] 展示了韩国半岛上平均风速、平均功率密度和年平均风速的空间分布。尽管平均风速提供了风能可用性的总体指示，但风能功率密度更直接地代表了能量收集器可能利用的动能资源。这些分布表明，在韩国当地适宜的风条件下部署紧凑风能系统存在机会 [56]。然而，实现此类应用需要收集器能够在变化的流动条件下启动和维持有用的振荡，同时保持足够的能量转换性能。

在流动诱发振动的背景下，自激振荡指的是由流体流动的能量传递维持的持续结构响应，而不需要外部规定的周期性激励。颤振通常被归类为与负气动阻尼相关的自激不稳定性，而涡激振动主要受涡旋脱落与结构运动之间同步的支配。自启动是一个更为严格的概念，指的是在初始静止状态且高于可测量的起始速度的条件下自主启动持续振荡。因此，这些概念不应被视为可互换的：一种配置可能产生更强的起始后振荡响应，但不一定表现出更低的起始速度或更优的自启动能力。

尽管取得了这些进展，现有文献并未提供关于固定细长下游钝体如何被几何定制以控制振荡主要圆柱体尾流的系统理解。先前的串联能量收集器主要采用相同或几何相似的钝体、对称的二次体，或者两个体都允许移动的配置。尽管下游板已被证明可以促进颤振型响应 [28]、[29]，但间距比、纵横比、宽度、截面几何形状和几何非对称性的组合影响尚未得到全面考察。特别是，一个在截面和整体几何形状上都与主要振荡器不同的固定下游体如何重新组织涡旋形成、尾流相互作用、气动力和由此产生的能量传递机制，仍不清楚。为了弥补这些空白，本研究提出了一种几何上不同的串联系统，由振荡的圆形主要钝体和固定的细长下游钝体（TDB）组成。通过首先确定有效间距范围和纵横比，然后评估分为五组的15种TDB几何形状（包括对称和非对称配置），进行了系统的实验研究。在各种风速下评估了它们对起始后振动幅度、产生电压、输出功率和尾流动力学的影响。随后使用定性流动可视化、时间分辨PIV、涡旋脱落频率分析、压力恢复、速度亏损、雷诺剪切应力、湍流动能、涡度、环量、POD和旋度分析检查了观察到的响应背后的机制。因此，本工作的主要新颖性不仅在于添加第二个钝体，而在于系统地评估和解释两种几何上不同的钝体——振荡圆形圆柱体和固定TDB——通过系统变化间距比、纵横比、宽度、截面几何形状和对称性的行为。这项综合研究建立了下游体几何形状、尾流重新组织、流体—结构相互作用和能量收集性能之间的关系。因此，本研究专注于TDB间距、纵横比和几何形状对测量的起始后振动响应、电能输出和尾流动力学的影响。由于实验的速度分辨率并非设计用于确定精确的不稳定阈值，本研究不尝试根据起始速度或自启动能力对配置进行排名。

## 概念设计片段

对能源的全球需求，特别是可持续和绿色能源，正在稳步增长。在各种可再生能源解决方案中，风能收集器（WEH）提供了一种有希望的方法来捕获环境风能。与传统风力涡轮机不同，WEH提供了多种优势，包括减少安装占地面积、降低结构要求、更少的运动部件、减少维护和更低的总体成本 [21]。尽管具有这些优势，WEH的低功率输出

## 结果与讨论

本节呈现并讨论了测试十五种不同TDB几何形状的结果，这些形状分为五个主要组别，涵盖各种间距比（ε）和雷诺数。分析从考察间隙和间距比开始，重点关注TDB宽度的影响。随后是TDB几何效应的详细评估，最终探索了导致流动诱发振动（FIV）增强的潜在机制。

## 结论

本研究调查了使用细长下游钝体（TDB）作为被动流控制策略，以增强无叶风机（BWT）的起始后振荡响应和能量收集性能。进行了全面的参数研究，包括间距比、纵横比和下游钝体几何形状的影响。结果表明，引入一个设计得当的TDB从根本上改变了尾流动力学并显著...

## CRediT 作者贡献声明

Amirreza Shahsavari：原创草稿撰写、可视化、验证、软件、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Aref Afsharfard：原创草稿撰写、验证、监督、正式分析、数据整理、概念化。Kyung Chun Kim：原创草稿撰写、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。

## 利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究由韩国政府（MSIT）资助的国家研究基金会（NRF）拨款支持（编号：RS-2020-NR049569、RS-2024-00345535）。

Amirreza Shahsavari | Aref Afsharfard | Kyung Chun Kim