基于洋流能的水下涡激振动能量俘获系统动力学特性研究

作     者：刘丽兰 任航 汪甡 李佳佳 

作者机构：西安理工大学机械与精密仪器工程学院 

出 版 物：《工程科学与技术》 (Advanced Engineering Sciences)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

基　　金：陕西省教育厅科研计划项目(21JK0705) 

主　　题：涡激振动 能量俘获 Van der Pol方程 三稳态 流固耦合 

摘      要：随着清洁可再生能源的不断发展，利用洋流能为水下微型无线传感器提供电能已成为研究热点。水下涡激振动能量俘获系统是一种在浅海低流速条件下利用涡激振动效应俘获洋流能的发电装置。本文将非线性恢复力、单向轴承以及齿轮齿条机构与振动钝体结合，提出了一种新型基于洋流能的涡激振动能量俘获系统。采用Van der Pol方程描述流体和钝体间的耦合效应，建立了系统流-固-电耦合动力学方程。对系统进行稳定性分析，得到了系统在单稳、双稳及三稳态情况下的参数数值范围，将三种稳态下系统的振幅比进行了对比，发现系统处于三稳态运动具有较强的发电优势。借助数值仿真，通过钝体振动的时域图、相图、分岔图以及庞加莱截面详细研究了流体参数（水流流速）、和结构参数（质量比和阻尼比）对系统位移响应的影响，并分析了单向轴承对传动轴转速的影响，最后分析了质量比和阻尼比对发电功率的影响。结果表明：三稳态系统拥有非常丰富的非线性动力学行为，出现了混沌运动、多周期运动以及准周期运动，阻尼比的变化主要影响发电功率的峰值，而质量比的变化主要影响涡激振动的共振区间范围。