1、 N10 基于流致振动的海流能发电技术及研究现状孙 海1,2，白 旭31哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001；2密歇根大学 海军建筑与海洋工程系 海洋可再生能源实验室，美国密歇根 48109；3江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003基金项目：江苏省自然科学基金面上项目（BK20211342）；国家自然科学基金面上项目（42276225）。海流能是指海水流动产生的动能，根据流体产生机理的不同又可分为洋流和潮流，洋流是指海底水道和海峡中稳定流动的海流，潮流是指潮汐运动产生的具有规律性的海流1。海流能稳定性强，其能量密度与其流速的立方成正比，且海流流速随时间变化
2、较小。海流能是海洋能中储量较大的一种，数据2显示，我国海洋能储量也很可观，理论上可达 1.4107亿千瓦。目前，国内外利用海流能进行发电的研究较为广泛，其中最主要的发电装置是水下涡轮机（水轮机），见图 1。水轮机的发电原理是：海流流经水轮机时将推动叶轮旋转，旋转的叶轮带动发电机进行发电。其中水平轴式水下涡轮机获能效率高、运转稳定，且具有较高的额定功率，每年的装机容量可达兆瓦级。一般水下涡轮机的起始运行流速在 2.0 m/s 左右，而在大多数海域内，海流流速较低，平均流速约为0.4 m/s 1.5 m/s，最大流速一般不超过 2.5 m/s3。我国沿海岸线存在丰富的低速海流，黄海暖流的平均流速为
3、 0.1 m/s 左右，东海黑潮的平均流速为 1.0 m/s左右，夏季南海海流的平均流速为0.5 m/s左右，冬季达到1.0 m/s左右4-5。在海流流速较低的流域，水轮机式海流能发电装置具有较大的局限性，因此开发在低流速下有效获能海流能的装置至关重要。当海流流经海洋工程结构物时，在结构物后方会产生交替脱落的旋涡，旋涡的交替脱落将导致结构物受到周期性变化的水动力，从而引发结构的涡激振 动（Vortex Induced Vibrations,VIV）6-8。当振动幅度达到一定值时，海洋结构物将受到损坏，如果不加以防范，在很大程度上还将带来安全隐患，并造成经济损失。基于上述原因，近年来大量学者提出
4、了各种有效的涡激振动抑制方法9-10。然而，不同于水下涡轮机需要在较高海流流速下才能起动发电的特性，涡激振动在较低流速下（低于 0.1 m/s）就能产生振动，且具有较大的振动流速范围。2006年，美国密歇根大学（University of Michigan）的 BERNITSAS 教海流能对增加能源来源、保护生态环境、应对气候变化、促进能源可持续发展等具有重要意义。我国沿海的该类能源流速较低，因此研发有效的低速海流发电装置成为该领域亟待解决的重要问题。基于流致振动的交替升力海流能发电技术具有很大潜力，对涡激振动与驰振的利用技术、流致振动海流能捕能系统的研究现状进行系统介绍，分析了当前研究的前沿
5、技术及其可靠性，以及政策对流致振动商业化研究的影响，给出了未来研究的相关建议，为进一步研究基于流致振动的海流能发电技术提供参考。摘 要交替升力（ALT）技术流致振动（FIV）海洋能驰振涡激振动（VIV）N11 技术跟踪01流致振动（FIV）发电原理涡激振动、驰振及两者之间的过渡区域是流致振动主要的物理现象，如何有效地利用是设计新能源系统的主要任务。1.1 涡激振动当流体流过钝体（圆柱）时，会产生交替的涡流，在钝体本身回复力和涡的压力差的影响下，会产生涡激振动。1504 年LEONARDO 首次记录了涡激振动，1878 年 STROUHAL 建立了第一个流致振动的数学公式27，由于涡流的锁定，涡
6、激振动同步范围涵盖的速度范围较广。涡激振动区域主要由初始分支、上支和去同步化的下支组成。涡激振动是一种破坏性的现象，在工程实践中人们付出了很大的努力来抑制它28。涡激振动也是一种高度可扩展的现象，可以发生在所有雷诺数下，除了以下 3 种情况：1）Re 40；2）200 Re 400（Tritton 过渡范围），其中涡流内的流动变成湍流；3）边界层从层流过渡到湍流的临界流态。图 1 海流能水轮机（来源：）图 2 VIVACE 原理与装置图授团队提出了一种基于涡激振动发电的海洋清洁可再生能源装 置（Vortex Induced Vibrations for Aquatic Clean Energy
7、，VIVACE），见图 211，对于在低海流流速下进行发电捕能作出了巨大贡献。自 2006 年至今，BERNITSAS 教授团队对该涡激振动捕能装置进行了不断的创新与改进，包括将振动捕能形式由涡激振动12扩展到高流速下具有高获能高振幅低振动频率的驰振13、将圆柱振子数量从单柱14扩展到串列多柱15、将振子振动由线性16扩展到非线性17。到目前为止，VIVACE 装置的最高获能功率（商业化试验）可达单个振子 600 W 1 000 W，试验设备最高获能效率高达 69%，最 低 获 能 流 速 低 至 0.27 m/s。BERNITSAS 团 队 通 过 在 圆 柱振子表面添加被动湍流控制（Pas
8、sive Turbulence Control,PTC）装置17来改变圆柱振子横截面形状，从而产生驰振，并通过改变 PTC 粗糙带的厚度和放置角度等调节驰振的强弱。该团队还建立了第一代和第二代虚拟弹簧阻尼系统（Vck）18-19来代替传统的物理弹簧和阻尼，很大程度上提高了工作效率和测量精度。国内外诸多学者20-26开展了基于流致振动（Flow Induced Vibration,FIV）的海流能捕能机理、非线性振动系统、数值模拟方法及模型试验的研究，掀起了流致振动交替升力技术海流能研究的热潮。本文对流致振动（包括涡激振动和驰振）及影响流致振动的主要参数、能量收集系统的试验以及实测研究现状进行介
9、绍，给出了未来相关研究的建议。(a)发电原理(b)装置图 N12 1.3 影响流致振动的主要参数涡激振动的最大振幅由折减阻尼系数决定，而锁频区域的大小则由质量比决定。阻尼系数越小，结构的振幅越大；质量比越小，锁频区域所对应的折合速度范围则更宽。这些参数对驰振的影响相对复杂，需要综合考虑。改变振子的振动质量 mosc或弹簧刚度 K 的值可直接改变振子在水中的固有频率 fn,water。固有频率是设计任何交替升力（Alternating Lift Technology,ALT）以达到最佳性能的一个非常重要的参数。式（1）和式（2）中：Len为圆柱振子的长度；CA为无黏性流体（理想）在静止水中的附加
10、质量系数，对于圆柱，CA=1；md为被振子排出的液体质量；为水密度；D 为圆柱振直径。fn,water不仅能影响每个涡激振动中流致振动的同步范围和振动的驰振范围，还会影响振幅和频率响应。因此，研究 mosc和 K对线性振子流致振动响应的影响是有意义的29。鉴于围绕理想附加质量系数CA研究的重要性存在争议，最好使用振子空气中的固有频率进行研究，因此可以忽略理想 CA和 md的值，则振子在真空中的固有频率 fn,vac的表达式变为与 其 他 变 量 相 比，弹 簧刚 度 K 是 一 个 更 容 易 实 现 的变 量。LEE 等18通 过 引 入 虚拟系统来设置刚度，实现了仿真阻尼弹簧系统，从而可以
11、对流体动力收集功率的性能进行 系 统 的 试 验 研 究，在 密 歇根大学海洋可再生能源实验室（Marine Renewable Energy Laboratory,MRELab）的低湍流自 由 地 表 水（Low-Turbulence Free-Surface Water,LTFSW）通 道 中，测 试 了 VIVACE 在40 000 Re 120 000 时 的 性能。BARRERO-GIL 等30基 于MACKOWSKI 等31的受迫振动试验研究了圆柱横向涡激振动，以达到最大化功率效率，分析了能量效率随系统阻尼 和质量比m*（m*为振子质量与置换质量之比）的变化。结果表明，最大效率 M
12、主要取决于质量阻尼系数 m*。如图 3 所示，随着 m*的增大，最大效率 M分布曲线呈凸形，并在最优 m*处达到最大值30。图 3 不同质量-阻尼参数下最高效率（m=1.05 kg/m、D=0.2 m、fN=2.0 Hz）（1）（2）n,wateroscAd12KfmC m=+2den4mLD=（3）on,vacsc12fKm=1.2 驰振驰振是一种垂直于水流方向的振动，也是一种气动/水-弹性不稳定性，具有频率低、振幅大的特点。驰振是流致振动的另一种形式，与涡激振动具有根本不同的特性，驰振没有锁定区，不能自限。由于上述原因，除非受到复位弹簧或结构限制或两者任何组合的约束，由剪切层不稳定性引起的
13、驰振将继续迫使振子沿一个方向行进，直到弹性限制其反转方向，否则振幅将随着流速的增加而增加，直到结构失效。N13 技术跟踪02流致振动能量收集系统试验研究2.1 圆柱振子系统（实体）捕能试验系统作为较为容易实现的实体圆柱振子系统，国内外学者通过线性/非线性弹簧，结合发电设备，对流致振动进行了一系列研究。由于水流中阻力较大，除了考虑圆柱如何放置（横向/竖向）及弹簧位置等，还需要考虑设备稳定等可靠性问题，如何应用获能的方式也是实体系统实现有效能量输出和效率的关键。BERNITSAS 等11设计并建造了第一代的 VIVACE 试验设备，包括垂直方向放置的圆柱与实体弹簧，阻尼通过阻尼器实现，并完成首次流
14、致振动在 TrSL3 流域的获能试验研究。ZHANG 等32设计了应用等边三角形截面的振子，结合电磁能量收集系统，在天津大学循环水槽研究了该系统在 Re 129 000 的效率。NARENRAN 等33在涡激振动圆柱振子的基础上引入了直线电机，这套系统可以综合考虑附加阻尼和质量比的影响。SOTI等34设计了竖直的涡激振动能量收集系统，并引入了控制阻尼的磁铁集合控制器。竖直圆柱流致振动的主要设计要点之一就是需要考虑圆柱的末端涡流影响效应。2.2 试验研究技术2.2.1 被动湍流控制（PTC）技术圆柱绕流问题中的旋涡脱落和流致振动的控制技术可分为被动湍流控制技术和主动湍流控制技术。被动控湍流控制（
15、PTC）技术通过在流场中添加附加装置来改变圆柱绕流时的剪切层分离方式及位置，延缓或加快涡流的分离，如波状表面、条状薄板或分隔板等。主动控制技术主要通过外部激励改变流场，进而控制流体分离与脱涡，以达到控制流致振动的目的。PTC 在流致振动中应用广泛，相比主动控制简单且容易实现。PTC 通过改变圆柱表面的粗糙度能有效改变圆柱表面的压力分布，进而引起圆柱升力和阻力变化25。PTC 在高流速范围可诱发驰振，收集更多的交替升力 能 量。PTC 在 MRELab 广 泛应用于试验和数值分析，PTC-to-FIV映射17为研究成果之一。2.2.2 虚拟弹簧阻尼试验系统当前弹簧支撑圆柱流致振动试验装置通常采用
16、金属弹簧，具有简单方便的优点。其缺点是一旦确定了硬件系统，刚度与阻尼难以调整，且在往复的振动试验中，弹簧刚度参数会随着振动次数产生疲劳，引发弹簧刚度改变及断裂等现象。随着电子设备 的 发 展，HOVER 等35最 早尝试使用电子元件替代实体弹簧、阻尼器等设备，建造并改进了虚拟电缆测试仪（VCTA）。MACKOWSKI 等31建立的网络物理系统（CPFD）由实时采集的控制系统和圆柱振子组成。VCTA 和 CPFD 系统都“改动”了水动力，将圆柱的振动激励从单纯的水动力变为了“电机驱动+水动力”，在研究流致振动时，主动干预并添加驱动力会改变系统振动的特性，产生的滞后会影响试验结果的同步性。LEE 等18在 VIVACE 系统中引入虚拟弹簧刚度设备第 一 代 Vck 系 统（见 图 4），SUN 等19对其进行改进并设计了第二代嵌入式 Vck 系统（见图5）。Vck 使用闭环控制循环的控制系统和伺服电机来取代原有的物理振子，在系统识别的基础上加入负阻尼，使得系统阻尼降低，同时也便于测量流致振动的各种响应参数。N14 图 4 第一代 Vck 系统图 5 第二代 Vck 系统03流致振动捕能装置