基于锥形圆形振荡器的无叶海洋能采集

《Marine Structures》：Bladeless marine energy harvesting from tapered circular oscillators

　　

•锥形化提升了低质量比下的输出功率，但在中等质量比下降低了输出功率。
•低质量比的均匀尾流诱导振动（WIV）振荡器具有最佳的整体能量性能。
•在共振状态下，均匀振荡器的效率高于非均匀振荡器。
•降低质量比对性能的提升作用大于几何非均匀性。

引言
振动发电装置（VBPGs）是从环境机械振动中收集能量的设备，为电子系统供电提供了一种可持续且可扩展的解决方案。这些环境振动可能源自多种来源，包括人体运动、工业机械以及环境流体流动——例如海上风或海洋潮汐流——从而产生流动诱导振动（FIV）[1]。在这些来源中，由于具有持续提取能量的潜力，FIV 受到了广泛关注。当钝体浸入流体流中时，由于边界层分离会发生涡脱落，从而在结构中诱发振荡运动 [2,3]。这种现象通常称为 FIV 或涡诱导运动（VIM），是 VBPGs 中能量收集的关键机制 [4,5]。振动响应的具体性质取决于物体几何形状和流场特征，从而导致各种类型的流体弹性失稳 [6]。FIV 通常根据结构自由度和响应动力学被分为涡激振动（VIV）、尾流诱导振动（WIV）、驰振、颤振和拍振 [7,8]。当涡脱落频率与结构固有频率同步时，会发生 VIV，导致共振 [9,10]。驰振和颤振是失稳驱动响应，其特征为低频、大振幅振荡 [[11], [12], [13]]，而 WIV 则表现出共振和失稳特征 [[14], [15], [16]]。关于拍振的分类因研究而异：Rostami 和 Armandei [8] 将其描述为由尾流非稳态引起的共振，而 Gong 和 Dally [17] 将其归类为 WIV 的一种形式。

与具有转子 - 定子结构的传统叶片式涡轮机不同，FIV 发电机从钝体的振荡运动中提取机械能。因此，它们通常被称为无叶片发电机。与传统的叶片式涡轮机相比，涡无叶片装置具有显著的机械简单性，从而大幅降低了资本成本（例如涡轮机价格）。没有叶片和旋转轴不仅将生态问题（如鸟类或水生生物的死亡）降至最低，还减少了噪声污染，降低了维护要求，并延长了使用寿命。此外，涡无叶片装置对场地的依赖性较小，能够从低至 0.2 米/秒的低海洋潮汐流中高效收集能量 [18]。因此，最近大量的研究工作致力于利用无叶片 FIV 转换器进行可持续发电（Rashki 等人，2025）。关于该领域近期进展的全面概述，读者可参考 Ma 和 Zhou [19]、Francis 和 Swain [20]、Wu 等人 [21] 以及 Su 等人 [22] 的综述。

FIV 能量收集系统可以在广泛的应用范围内进行扩展。在微纳尺度上，它们被用作纳米发电机，为物联网（IoT）设备或无线传感器网络供电 [23]。在较大尺度上，它们可以被设计为中型至大型发电涡轮机，应用于从城市风能收集 [24] 到海上浮动模块化能源平台 [25,26] 等范围。对于小到中等规模的能量转换（范围从微瓦到几瓦），通常采用压电和摩擦电转换机制。相比之下，电磁感应更适合大规模发电，例如 Kim 和 Bernitsas 展示的 4 千瓦涡激振动水生清洁能源（VIVACE）转换器 [27]。Farhan 等人 [28]、Ali 等人 [29]、Barua 和 Rasel [30] 以及 Ye 等人 [31] 对压电和摩擦电 FIV 能量收集器的最新进展进行了广泛综述。

提升无叶片收集器的能量性能通常通过修改振荡器的几何形状 [32] 或诱导有利的尾流效应 [33,34] 来实现。然而，几何形状的改动必须谨慎应用，因为某些修改可能会无意中抑制振动。例如，在圆形振荡器上添加条纹 [35] 或控制杆 [36] 已被证明会衰减振荡响应。相比之下，Li 等人 [37] 证明，引入被动湍流控制器（PTC）可以通过消除圆形振荡器中的较低响应分支来增强能量收集。分流板的应用产生了混合结果：根据其数量、长度和方向的不同，它们既可以增强 [38,39] 也可以阻碍 [40]FIV 响应和发电。Lv 等人 [41] 和 Sun 等人 [42] 提供了关于几何修改在基于 FIV 的能量收集中所起作用的全面综述。

在水下应用中，圆形振荡器的几何形状也可能因海洋生物污损而随时间变化。Jadidi 和 Zeinoddini [43] 以及 Rashki 等人 [44] 报告称，硬质和软质海洋生物生长的存在可将圆形振荡器的最大能量效率分别降低多达 36% 和 74%。同样，Sun 等人 [45]、Ashrafipour 等人 [46] 和 Gao 等人 [47] 的研究证实，表面粗糙度会导致响应幅值降低和能量收集性能下降。为了应对这些挑战，Zhang 等人 [48] 总结了旨在减轻水下结构生物污损的自然、仿生方法和表面工程策略。

在圆形截面振荡器中，也可以通过沿圆柱长度的纵向非均匀性引入几何修改。非均匀圆柱体中 FIV 的研究在土木工程——如交通信号支持结构 [49]——和海洋工程 [50] 中都有应用。Han 等人 [51] 研究了锥形灯杆的 VIV 行为，并报告称对于特定的振动模式，横向振动幅值几乎是在线幅值的两倍。Seyed-Aghazadeh 等人 [52] 对锥形振荡器进行了实验研究，以评估锥度比对 VIV 的影响。他们的结果表明，尽管锥度比不同，但最大横向流量幅值几乎相同，且可与均匀圆柱体相比。同样，Kaja 等人 [53] 在 Re = 500 时对锥形圆形圆柱体的三维 VIV 进行了数值模拟，发现与非均匀圆柱体相比，锥形几何结构表现出更宽的锁定范围。

Brusco 等人（2023）分析了锥形圆柱体的空气动力学响应，并观察到与均匀圆柱体相比，振动幅值有所降低。He 等人 [54] 在 Re = 3900 时对非均匀圆形圆柱体的 VIV 进行了数值模拟，报告称与非均匀几何形状相比，最大横向流量响应幅值的起始时间有所延迟。此外，Yao 等人 [55] 研究了圆柱体非均匀性对水动力载荷的影响，旨在了解受海豹胡须启发的几何结构的性能。他们的发现表明，这种胡须型几何结构减小了升力和阻力，从而有效地抑制了 VIV。

使用非均匀圆形振荡器进行 FIV 能量收集的研究仍然相对有限。Chizfahm 等人 [56] 采用了半经验和计算流体力学（CFD）建模相结合的方法，评估了具有锥形振荡器的无叶片风力涡轮机的能量性能。他们的结果表明，锥形配置收集的能量比相应的均匀圆柱体更多。Asre 等人 [57] 进行了数值模拟，以评估悬臂锥形圆柱体的空气动力学能量性能，确定扭转摩擦是影响振荡器弯曲响应的关键因素。Barata 等人 [58] 使用磁致伸缩能量转换器研究了锥形和阶梯形圆形圆柱体在 VIV 下的能量收集潜力。他们的研究发现，锥形化延迟了振动的发生并扩展了同步（锁定）范围；然而，与均匀圆柱体相比，这也导致峰值功率输出降低。

锥形圆形振荡器引入了控制流动诱导振动的关键无量纲参数在展向的变化，如当地雷诺数、涡脱落频率、有效折减速度和锁定条件。与均匀圆柱体不同（其涡脱落沿展向具有空间相干性），锥形几何结构破坏了展向相干性，导致在更宽的频率范围内产生分布激励。宽带激励对于严格共振之外的能量收集可能是有益的。虽然以前对锥形圆柱体的研究主要集中在振动机制、空气动力/水动力载荷和锁定范围扩展上，但本工作的创新之处在于评估锥形化是否在何时增强了或降低了收集的电磁功率。

本研究调查了浸没在水中的非均匀圆形振荡器的无叶片海洋电磁能量收集。两种具有不同质量和锥度比的锥形振荡器在一系列雷诺数下与具有相似特征的均匀振荡器进行了一比较。在水中运行的锥形振荡器可能表现出与在空气中运行不同的能量收集行为，这主要是由于质量比显著降低——通常相差一个数量级。除了运行介质之外，本研究独特地将质量比和 Reynolds 数的影响——以及锥形化——纳入了能量性能的对比评估中。此外，锥形振荡器的水动力能量收集能力相对于其他流体弹性响应进行了评估，包括驰振和 WIV。

章节片段
实验装置
本研究提出的结果源自在伊朗德黑兰理工大学（SUT）海洋工程实验室的拖曳水池中进行的两套实验装置。拖曳水池长 25 米，宽 2.5 米，最大可达拖曳速度为 4 米/秒。第一组实验涉及两对铝圆柱体——均匀型和锥形——具有不同的直径（D）和浸没长度（L），详见表 1。一对

FIV 能量转换器模型
在本研究中，通过数值求解耦合的机械和电磁控制方程来调查电磁耦合的影响。采用半经验电磁转换模型来估算振荡器在最佳电磁耦合系数下的电响应，以实验测量的机械振动数据作为输入。
无叶片 FIV 能量收集器的拟议数学模型示意图如图

结论
利用无叶片发电机捕获海洋潮汐流代表了海洋可再生能源领域的一个新兴研究领域。本研究调查了轴向非均匀性对经历涡激振动（VIV）的圆形圆柱体水动力能量收集性能的影响。结果也与经历流动诱导振动（FIV）的非圆形振荡器的结果进行了比较，以提供关于几何依赖性能趋势的更广泛视角。

CRediT 作者贡献声明
V. Tamimi：撰写 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。
M. Zeinoddini：监督，经费获取。
J. Wu：撰写 – 审阅与编辑，资源。
Md. Mahbub Alam：撰写 – 审阅与编辑，验证。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢
作者们衷心感谢德黑兰理工大学的 Seif 教授对拖曳水池设施提供的宝贵帮助。

V. Tamimi|M. Zeinoddini|J. Wu|Md. Mahbub Alam