被動式擺動水翼潮流能量獲取技術實驗研究

徐建安, 孫洪雨

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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被動式擺動水翼潮流能量獲取技術實驗研究

徐建安, 孫洪雨

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對傳統的旋轉葉片式水輪機在潮流能量獲取過程中存在的問題，提出一種模仿水中生物尾部擺動的被動式擺動水翼潮流能量獲取技術。在分析水翼的運動規律和功率系數、效率、折算頻率等各參數之間關系的基礎上，設計了被動式擺動水翼潮流能量獲取實驗裝置；在三套正反向曲柄搖桿機構的作用下，被動式擺動水翼實現了兩自由度周期循環，利用飛輪克服曲柄搖桿機構運動中存在的死點問題，利用扭矩傳感器實現了輸出軸的轉速信號和轉矩信號提??；循環水槽環境下完成了被動式擺動水翼能量獲取實驗，實驗結果表明利用被動式擺動水翼能夠進行潮流能量獲取，當折算頻率為0.096時，最高能量獲取效率達到18%。

關鍵詞：潮流能；擺動水翼；曲柄搖桿機構；兩自由度；能量獲?。贿\動規律；功率系數；折算頻率

伴隨著石油和煤炭等化石燃料的過度消耗，像海洋能、風能、太陽能等清潔再生能源的開發利用越來越受到世界各國的重視[1]。潮流能作為海洋能的重要形式，與風能和太陽能相比，具有能量密度大、對環境污染小、變化有規律、可預測性好等優點[2-3]。目前，對潮流能的開發，多為利用旋轉葉片的水輪機進行潮流能量捕獲，然而這種潮流能捕獲方式存在占地面積大、噪聲大、對周圍海洋生物產生影響等問題[4]。海洋中的生物，如金槍魚、鯊魚等，利用尾鰭的擺動從周圍的流體中獲得能量實現游動，具有能量獲取效率高、噪聲低、水動力特性好等特點[5]。受此啟發，本文開展了一種利用被動式擺動水翼實現潮流能量捕獲技術研究，與利用旋轉葉片的水輪機潮流能量捕獲方式相比，具有對海洋環境及海洋生物影響小、翼片結構簡單、捕能效率高、可在河流等淺水中應用等優點[6]。

對于利用擺動水翼進行潮流能量獲取，美國蒙特利海軍研究生院開展了單翼片擺動水翼潮流能量捕獲實驗，表明最大輸出功率與擺動頻率和俯仰幅度的適當組合有關系，對雙翼片水翼進行了流體數值仿真分析，預計效率達到40%，但實驗結果和仿真結果差距較大[7]。英國工程商業公司通過液壓系統改變擺動水翼有效攻角，研制了150kW半主動式擺動水翼潮流能量捕獲實驗樣機，并進行了河流實驗，最高捕能效率達到11.5%[8]，Kinsey等[9]進行了2D和3D仿真分析對比，分析了不同折算頻率對擺動水翼捕能的影響。近年來，國內也開展了利用擺動水翼進行潮流能量獲取的仿真分析與實驗研究，于海等[10]利用兩端的彈性碰頭改變擺動水翼攻角，對水平方向運動的擺動水翼進行了循環水槽環境下的潮流能量獲取實驗研究，開辟了國內擺動水翼潮流能量獲取研究的先河，王勇[11]通過液壓驅動改變擺動水翼攻角的方式，對豎直方向運動的擺動水翼進行了能量獲取能力仿真分析，Xie Yonghui等[12]研究了擺動水翼的能量獲取能力與效率、折算頻率和水翼俯仰角度之間的關系。

為了實現擺動水翼能量獲取過程，設定擺動水翼升沉和俯仰兩個自由度按照正弦規律變化，通過曲柄搖桿機構改變水翼攻角，以實現擺動水翼的周期循環運動，在分析水翼運動過程中的功率、功率系數、折算頻率等各參數之間關系的基礎上，設計了被動式擺動水翼潮流能量獲取裝置，在循環水槽環境下進行了擺動水翼潮流能量獲取實驗驗證，得出擺動水翼潮流能量獲取功率和來流速度、折算頻率等參數之間的關系。

1擺動水翼水動力分析

按照潮流能量獲取方式，擺動水翼分為被動式、半主動式和主動式3種[13]。本文為了驗證擺動水翼的潮流能量獲取能力，采用被動式擺動水翼潮流能量獲取方式。

1.1被動式擺動水翼運動規律分析

忽略被動式擺動水翼在運動過程中的變形和橫向移動，視水翼在流場中的運動為剛體運動，被動式擺動水翼的運動規律如圖1所示。將擺動水翼在流場中的運動分解為升沉運動和俯仰運動的二自由度運動，升沉運動指的是水翼在豎直方向上運動h(t)，俯仰運動指的是水翼的擺角運動θ(t)。為簡化機構設計，將擺動水翼的運動設計為兩種同頻率正弦運動的耦合，其運動規律為

(1)

式中：H0為擺動水翼升沉運動幅值，θ0為擺動水翼俯仰角度幅值，f為擺動頻率，φ為升沉運動和俯仰運動的相位差。

由擺動水翼的耦合運動規律可知，擺動水翼的瞬時升沉速度νy(t)和瞬時俯仰角速度ω(t)為

(2)

基于擺動水翼的耦合運動規律和來流速度，擺動水翼的有效攻角α(t)定義為

(3)

式中：θ(t)為擺動水翼瞬時俯仰角度，U∞為無限遠處來流速度。

利用來流速度和水翼擺動頻率，定義無量綱參數折算頻率f*為

(4)

式中：c為擺動水翼的弦長，通過擺動水翼運動時的有效攻角α(t)和折算頻率f*等參數可以分析被動式擺動水翼的潮流能量獲取功率和效率。

圖1　擺動水翼的運動模型Fig.1　Kinetic model of oscillating hydrofoil

1.2被動式擺動水翼能量獲取效率分析

設計采用NACA0015型對稱水翼，均勻流場環境下的來流可獲取流體運動能量為

(5)

式中：ρ為來流的密度，b為水翼的展長，d為擺動水翼在豎直方向上最大升沉幅度。

被動式擺動水翼運動時的瞬時能量獲取功率定義為

(6)

式中：Py(t)為水翼通過升沉運動獲取的功率，Pθ(t)為水翼通過俯仰運動獲取的功率，Fy(t)為升沉方向上流體對水翼的作用力，M(t)為水翼繞俯仰軸旋轉時流體對水翼的作用力矩,如圖2所示。

一個運動周期內，擺動水翼能量獲取的平均功率表達為

(7)

定義擺動水翼升力系數CL、力矩系數CM和功率系數CP分別為

(8)

一個運動周期內，擺動水翼獲取的平均功率系數為

(9)

擺動水翼的能量獲取效率表達為

(10)

因此，通過擺動水翼潮流能量獲取功率系數CP(t)和能量獲取效率η可以描述擺動水翼的能量獲取能力。

圖2　擺動水翼的受力Fig.2　Forces on oscillating hydrofoil

1.3擺動水翼數值模擬分析

采用網格劃分軟件GAMBIT對水翼周圍流域進行網格劃分，基于區域運動代替單獨的翼片運動思想，結合動網格和滑移網格模型，滑移網格交界面將流域劃分為內部運動區域和外部靜止區域兩部分，兩部分通過滑移交界面實現數據傳遞，運動區域和翼片一起實現升沉和俯仰兩自由度的同步運動，具體網格劃分和邊界條件如圖3所示。

圖3　網格劃分Fig.3　Details of meshing

利用計算流體力學分析軟件Fluent對被動式擺動水翼在流場中運動進行水動力仿真，通過Fluent提供的二次開發接口自定義函數User-Defined-Function來定義水翼的運動規律。設定水翼弦長c為0.22 m，展長b為0.65 m，升沉運動幅值H0為水翼弦長c，俯仰運動的幅值θ0為π/3，相位差φ為π/2，擺動頻率f為0.7，通過式(4)，可知折算頻率f*為0.096, 設定無限遠處來流速度U∞為1.6 m/s，設定俯仰軸線位于距翼型前緣點1/3處，當迭代到第五個周期后輸出曲線趨于穩定，取迭代第六個周期曲線進行分析，得到擺動水翼一個運動周期內能量獲取的升力系數和升沉速度，力矩系數和俯仰角速度，功率系數曲線分別如圖4～6所示。

圖4　升力系數和升沉速度Fig.4　Lift coefficient and heaving velocity

圖5　力矩系數和俯仰角速度Fig.5　Moment coefficient and pitching velocity

圖6　擺動水翼的功率系數Fig.6　Power coefficient of oscillating hydrofoil

從圖4可看出，擺動水翼的升力系數和升沉速度在周期內變化趨勢一致，保持在同一方向變化，根據式(8)可知，擺動水翼的升沉運動能夠實現能量獲取，從圖5可知，由于力矩系數較小且和俯仰角速度變化趨勢不一致，表明擺動水翼俯仰運動只是用來改變水翼攻角，對能量的獲取起到了很小的作用，仿真曲線對比表明擺動水翼的能量獲取主要來自升沉運動的作用。

2被動式擺動水翼實驗裝置設計

本文設計的擺動式水翼潮流能量獲取實驗裝置主要由能量轉換機構、增速發電系統兩部分組成，其中，能量轉換機構又包括擺動水翼升沉運動機構和擺動水翼俯仰角度控制機構兩部分。實驗裝置三維模型如圖7所示。

圖7　擺動水翼能量獲取裝置Fig.7　 Energy capturing device based on oscillating hydrofoil

擺動水翼升沉運動機構主要包括NACA0015型擺動水翼翼片，反向曲柄搖桿機構以及連接部分，用于把流場中流體的動能轉化為水翼升沉運動的機械能，通過反向曲柄搖桿機構把水翼的升沉運動機械能轉化為輸出軸的旋轉機械能。擺動水翼俯仰角度控制機構包括正向曲柄搖桿機構、同步帶傳動機構，正向曲柄搖桿機構把輸出軸的單向旋轉運動轉化為水翼俯仰角度控制軸的雙向角度擺動，水翼俯仰角度控制軸通過兩套同步帶傳動機構驅動擺動水翼俯仰軸，實時控制水翼俯仰角度。增速發電系統與輸出軸相連，包括扭矩傳感器、增速箱、飛輪以及發電機，扭矩傳感器用于測量輸出軸轉速和轉矩，由于輸出軸轉速較低，利用增速箱把轉速提高到發電機的額定輸入轉速范圍，通過飛輪既可以克服曲柄搖桿機構存在的死點問題，又可以有效抑制輸出軸旋轉過程中存在的轉矩和速度波動。

當水平方向的水流流過擺動水翼時，除擺動上下兩個極限位置外，擺動水翼對稱面與水平方向來流具有一定的角度，流場對水翼翼面產生豎直方向的升力，在升力的作用下，水翼上下運動，通過反向曲柄搖桿機構驅動輸出軸，從而完成將流場的流體動能轉化為旋轉機械能，實現流場能量獲取，輸出軸通過正向曲柄搖桿機構和同步帶傳動機構實現擺動水翼俯仰角度的實時控制，因此在流場流體的作用下，擺動水翼實現了的升沉運動和俯仰運動，通過合理配置飛輪，實現了擺動水翼能量獲取的周期循環過程。

被動式擺動水翼潮流能量獲取實驗裝置具有以下特點：

1)通過簡單機械機構實現了擺動水翼升沉運動和俯仰運動的運動耦合，耦合運動規律固定；

2)無需主動控制擺動水翼二自由度運動及運動信息檢測，降低了系統硬件結構的復雜性；

3)實驗裝置為搭接式結構，改進方便，為今后進行多翼片能量獲取、半主動式擺動水翼能量提取等研究奠定了基礎。

3被動式擺動水翼能量獲取實驗結果及分析

3.1特定流速下實驗和結果分析

在哈爾濱工程大學循環水槽環境下開展了被動式擺動水翼能量獲取實驗研究，水槽實驗段寬度為1.70 m，水深為1.50 m，最大水流速度為2.0 m/s。分別進行了0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 m/s以及2.0 m/s來流速度下的能量獲取實驗，針對同一來流速度，完成了不同模擬負載下的輸出轉矩和輸出轉速檢測。實驗裝置如圖8所示，被動式擺動水翼實驗裝置置于循環水槽中，以滑動變阻器作為發電機的可調負載，通過改變滑動變阻器的阻值來測試給定流速下的擺動水翼能量獲取能力。設定擺動水翼升沉運動的最上端為初始位置，當有最小來流速度為0.7 m/s時，輸出軸施加一定啟動力矩，實驗裝置即可實現自動周期循環運動。

圖8　循環水槽能量獲取實驗Fig.8　Energy extracing experiment in circulating water channel

由于擺動水翼升沉運動的上、下極限位置為水平方向，流體對擺動水翼不產生升力，此時利用飛輪慣性改變擺動水翼攻角，在0、T/2和T時刻附近的一小段時間內擺動水翼能量獲取裝置出現了負的轉矩輸出。從圖10可以看出，在一個運動周期內，輸出軸旋轉速度在42 r/min附近波動，最大波動峰值達到11.4%，對擺動水翼能量獲取性能產生一定影響，可以通過優化飛輪配置或增加發電機電子驅動器的方式進行改進。

圖9　瞬時輸出轉矩Fig.9　The instantaneous torque output

圖10　瞬時輸出轉速Fig.10　The instantaneous angular velocity output

圖11　實驗輸出功率Fig.11　Power output of the experiment

在實驗中，由于輸出軸采用分段加工后相連接，導致輸出軸剛度及同軸度較差，同步帶傳動存在松動，曲柄搖桿機構傳動精度較差和流速的不穩定導致瞬時輸出轉矩、瞬時轉速和瞬時功率曲線均有波動。該問題可以通過進一步優化機械結構，增加其他波動抑制裝置進行解決。

來流速度為1.6 m/s時，針對不同模擬負載下的擺動水翼能量獲取效率進行了實驗和仿真分析對比研究。實驗通過改變滑動變阻器的阻值來調節發電機的負載，負載的變化決定了擺動水翼擺動頻率的變化，進而影響了擺動水翼折算頻率發生變化，折算頻率從0.04到0.14變化時，擺動水翼能量獲取效率和仿真效率隨折算頻率的變化關系曲線如圖12所示，從實驗曲線可以看出，當折算頻率f*為0.096時，擺動水翼能量獲取效率最高，能量獲取效率η達到0.18。當f*<0.096時，擺動水翼能量獲取效率隨著折算頻率的增大而增大。當f*>0.1時，由于負載逐漸減小，水翼擺動頻率逐漸增大，由于機械摩擦、裝置轉動慣量而造成的機械動能損失逐漸增大等，導致能量獲取效率隨折算頻率的增大而減小。

對比圖12中的實驗仿真效率曲線，可以看出仿真效率和實驗效率變化趨勢一致，當擺動頻率f達到0.7，折算頻率f*達到0.096時，仿真和實驗結果同時達到最大能量輸出效率，但仿真最大能量輸出效率達到0.28，而實驗最大能量輸出效率達到0.18，這主要由于實驗過程中機械摩擦、飛輪轉動慣性消耗等造成了能量損失，導致實驗得到的能量獲取效率比仿真結果小。

圖12　效率和折算頻率Fig.12　Efficiency and reduced frequency

3.2不同流速下實驗和實驗結果分析

通過不同來流速度下的實驗功率數據整理，得到在來流速度0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和1.8 m/s下，水翼實現最佳能量獲取時對應的擺動頻率值分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8，可見隨著來流速度的增大，水翼最佳能量輸出頻率值一直在增大。針對最佳能量輸出功率進行分析，得到實驗最佳能量輸出功率和仿真輸出功率隨來流速度的對比變化關系如圖13所示。

圖13　不同流速下的輸出功率Fig.13　Power output under different water velocities

通過圖13看出，擺動水翼在不同來流速度情況下都表現出了很好的能量獲取效果。隨著來流速度的逐漸增大，能量獲取功率增大，當來流速度在1.2 m/s 和1.6 m/s 之間時，能量獲取功率與來流速度近似成線性關系，當水速達到1.8 m/s 時，實驗裝置最高平均功率輸出為180 W。

通過實驗曲線和仿真曲線的對比可以看出，實驗輸出功率和仿真輸出功率變化趨勢一致，隨著來流速度的增大，捕獲的能量增大。當來流速度0.8 m/s 時，仿真輸出功率為21 W，實驗輸出功率達到18 W，實驗和仿真結果吻合較好，但隨著來流速度的逐步增大，仿真輸出和實驗輸出的偏差也越來越大，當來流速度達到1.8 m/s 時，仿真功率輸出為281 W，而實驗功率輸出為180 W，這主要是由于流速的增大，造成機械部件間傳動的摩擦增大，流體表面的粘性阻力也增大，造成傳動損耗的能量增多。

4結論

1)基于水中生物尾鰭的仿生推進原理，提出一種潮流能量獲取方式，研制了被動式擺動水翼能量獲取實驗裝置。

2)在循環水槽環境下進行了能量獲取能力的實驗研究，驗證了利用被動式擺動水翼進行潮流能量獲取的可行性，并和仿真分析進行了對比，發現實驗結果和仿真結果變化趨勢一致。

3)與旋轉式水輪機相比，擺動水翼翼型簡單，便于加工，特別適合在低速流速下和淺水區域中使用，彌補了旋轉水輪機存在的許多不足，在潮流能源開發利用中具有較大的發展空間。

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Experimental studies of passive oscillating hydrofoil for tidal current energy extracting

XU Jianan，SUN Hongyu

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：Regarding to the issue existing in the acquisition process of tidal energy by conventional rotary vane water turbine, this paper proposes a kind of passive oscillating hydrofoil tidal energy extracting technology that imitates the tail swinging of aquatic organisms. On the basis of analyzing the relationship of the motion rules of hydrofoil and the parameters including power coefficient, efficiency and reduced frequency, this paper designs a test device for the passive oscillating hydrofoil tidal energy extracting. Under the action of three sets of forward and reverse crank and rocker mechanisms, the passive oscillating hydrofoil has realized the cyclic process with two degrees of freedom. The flywheel is used to overcome the dead point in the process of crank and rocker mechanisms movement. The torque sensor is used to extract the rotating speed signal and torque single of output shaft torque. The energy extracting experiment of passive oscillating hydrofoil was carried out in the circulating water channel. Experiment results show that the passive oscillating hydrofoil can be used to extract tidal current energy. When the reduced frequency reaches 0.09, the highest energy extracting efficiency can achieve 0.18.

Keywords：tidal current energy; oscillating hydrofoil; crank rocker mechanism; two degrees of freedom; energy extraction; movement characteristics; power coefficient; reduced frequency

中圖分類號：TK730

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)02-0248-06

doi:10.11990/jheu.201502033

作者簡介：徐建安(1977-), 男, 副教授.通信作者：徐建安，E-mail: xujianan@hrbeu.edu.cn.

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(HEUCF140700)；哈爾濱市科技人才創新基金資助項目(2014RFQXJ097).

收稿日期：2015-03-20.網絡出版日期：2015-12-15.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151215.1030.014.html