基于VIVACE技术的海洋流能转换系统中磁悬浮子系统的优化与特性研究

《Energy》：Optimization and Characterization of a Magnetically Levitated Subsystem for VIVACE-Based Ocean Current Energy Conversion

　　徐 Bai | 张振邦 | 王家路 | 张文 | 王博翰
中国江苏省科技学院船舶与海洋工程学院，镇江212003

**摘要**
本研究提出了一种磁悬浮式涡流诱导振动（VIVACE）系统，旨在高效利用低速海洋电流的能量。作为非线性刚度元件的磁悬浮子系统对系统的振动和能量转换性能起着关键作用。通过实验和数值模拟研究了磁场强度（H）和磁体间距（MS）对振动响应和能量采集效率的影响。结果表明，较高的磁场强度能够增加振动幅度和功率输出，而较大的磁体间距可以降低振动频率并提高系统在流动条件变化下的适应性；相反，较小的磁体间距在稳定流动环境中能获得更好的振动性能。最佳配置为H = 2085Gs和MS = 3.4D，在此条件下，系统的自然频率为1.72 Hz，峰值功率输出为0.282 W，最大效率为10.41%（流速U = 0.5 m/s）。这些发现为自适应磁悬浮支持的VIVACE系统提供了设计指南，并为低速海洋环境中的高效海洋电流能量转换提供了理论依据。

**引言**
海洋电流能量分布广泛，能量密度高，潜在功率可达800 TWh[1]。可用于发电的海洋电流有两种类型：第一种是大规模、非周期性的水平或垂直方向海水运动，其特点是相对稳定的流动，主要存在于海洋表面和深渊层[2]；其次为潮流，具有周期性，在全球海洋中广泛存在，对海洋电流发电具有重要意义。海洋电流发电装置通过捕获流动水的动能，首先将其转换为机械能，再转化为电能[3]。目前，水轮机是主要的海洋电流转换技术，但其应用范围受启动流速限制，某些流速较低的区域性能不佳。

**流动诱导振动（FIV）**是流体与固体结构相互作用产生的动态响应，导致固体发生往复振动，这种振动会改变流体流动状态，进而影响作用在固体表面的流体动力。基于这一原理，美国教授Bernitsas提出了名为VIVACE（Vortex Induced Vibration for Aquatic Clean Energy）的海洋电流发电装置[4][5]。2011年，在高雷诺数和高阻尼条件下进行的实验表明，优化后的阻尼比比未优化的阻尼比具有更高的能量转换效率[6]。

**研究方法**
海洋电流能量采集和发电的研究方法包括模型实验和数值模拟。Raghavan使用金属弹簧支撑的刚性圆筒振荡器进行了高雷诺数（2×10^4–4×10^4 < Re < 3.5×10^5–6×10^6）和高阻尼比实验，发现高雷诺数下的VIV行为与低雷诺数不同，振荡器振动的同步带宽随雷诺数的增加而扩大[7]；尽管阻尼较高，高雷诺数下的振幅比仍可达1.9[8]。Modir在拖曳水池中使用五种不同弹簧对圆柱形振荡器进行了VIV实验，研究了不同刚度下的自然频率变化[9]。Arionfard研究了双圆柱形VIV装置的动力学特性[10]；Chang研究了五种不同刚度（27 N/m至90 N/m）弹簧对四边形圆柱振动的影响[11]；Masoudi系统研究了五边形振荡器的FIV特性[12]。许多国际研究者采用数值模拟方法解决相关问题[13–16]。Sun采用Fluent软件对风浪联合发电系统进行了仿真[17]；Gao等利用SST k-ω模型研究了粗糙圆柱振荡器在VIV下的振动响应[18–19]；Awadallah模拟了串联双圆柱振荡器在VIV过程中的振动响应[20]；Bai提出了具有半椭圆和半圆结合的Elli-Circ截面振荡器[21]。

**存在的问题**
现有研究普遍依赖线性弹簧，但线性弹簧的固定恢复刚度导致系统固有频率固定，同步带宽（锁频区域）较窄，当海洋流速波动偏离最佳设计条件时，能量采集效率会大幅下降，限制了其在实际海洋环境中的适应性。为此，越来越多的研究者转向非线性弹簧[22–24]。

**本文结构**
第2节详细介绍了磁悬浮支撑的能量采集器振动模型，包括机械分析和数学模型；第3节通过模型实验获得不同磁悬浮子系统的自然特性并描述了磁流固耦合的数值模拟方法；第4节分析了磁刚度对振动特性和能量采集特性的影响；第5节总结了研究结论，并讨论了局限性和未来研究方向。

**关键词**
海洋电流能量；磁悬浮；涡流诱导振动；非线性刚度；流动诱导振动本研究得出的基本物理定律和调控机制总结如下：(1)磁悬浮子系统提供的非线性恢复力是决定振荡器自然特性的关键因素。通过调节H值和MSCRediT参数，可以优化振荡器的性能。

作者贡献声明：
王博翰：撰写、审阅与编辑、验证；
徐白：撰写、审阅与编辑、软件开发、项目管理、方法论设计、资金筹集、形式分析、概念框架构建；
杨振兴：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、数据分析；
王家禄：撰写初稿、验证、数据管理、概念框架构建；
张文：验证、方法论设计、数据分析、形式分析、概念框架构建。

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致谢：
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：42276225）和江苏省自然科学基金（项目编号：BK20211342）的支持。