圓柱體渦激振動海流能捕獲效率影響參數(shù)分析

圓柱體渦激振動海流能捕獲效率影響參數(shù)分析圓柱體渦激振動海流能捕獲效率影響參數(shù)分析

引言

隨著人們對可再生清潔能源的需求逐漸增加，海流能作為一種重要的可再生能源資源得到了廣泛的關(guān)注。渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置是目前常用的一種海流能轉(zhuǎn)換方法，在海洋能領(lǐng)域也受到了廣泛的研究。因此，本文旨在通過研究圓柱體渦激振動海流能捕獲效率影響參數(shù)，為渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。

圓柱體渦激振動海流能發(fā)電裝置的原理

在海流中，圓柱體在流場中產(chǎn)生的渦旋會對海流能量進(jìn)行擾動，并且由于流場的慣性作用，圓柱體也會受到反向作用力，這種反向作用力就可以用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置就是基于這種原理設(shè)計(jì)的，分為兩個部分：振動激勵系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。其中，振動激勵系統(tǒng)通過渦激振動的方式激勵圓柱體振動，使其受到反向作用力。發(fā)電系統(tǒng)則將反向作用力轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對海流能的轉(zhuǎn)換。

海流能捕獲效率影響參數(shù)

1.流速對海流能捕獲效率的影響

流速是影響海流能捕獲效率的關(guān)鍵因素之一。在渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置中，渦激振動的成效與海流速度密切相關(guān)。當(dāng)流速較低時，渦旋的旋轉(zhuǎn)速度與圓柱體振動速度不夠匹配，不同步振動會使泄漏率增加，減少渦激振動的有效作用力。而當(dāng)流速過高時，渦旋的形成不易，圓柱體的振動也變得復(fù)雜，同時，隨著流速的增加，渦激振動的功率也逐漸增加，但當(dāng)流速過大時，渦激振動的功率又會降低。

2.圓柱體直徑對海流能捕獲效率的影響

圓柱體的直徑大小對渦激振動海流能捕獲效率也有顯著影響。圓柱體直徑較小時，海流與圓柱體的表面接觸面積減小，阻力也隨之減小，同時渦激振動也更加穩(wěn)定。但當(dāng)圓柱體直徑較大時，接觸面積增大，渦激振動的能量損失也隨之增加，嚴(yán)重影響海流能轉(zhuǎn)化的效率。

3.圓柱體形狀對海流能捕獲效率的影響

圓柱體的形狀也是影響海流能捕獲效率的一個重要因素。在渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置中，改變圓柱體底部的形狀會影響流體的渦激振動以及反向作用力的大小。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)圓柱底部為錐形時，較光滑，氣流的流動更加順暢，渦激振動的效果更好。而當(dāng)圓柱體底部為錐形時，底部錐角度數(shù)的大小會影響渦激振動的有效作用范圍以及反向作用力的大小。

結(jié)論

綜上所述，渦激振動串聯(lián)式懸掛圓柱體海流能發(fā)電裝置是一種可行的海流能轉(zhuǎn)換方式。海流能捕獲效率受到許多因素的影響，包括海流速度、圓柱體直徑以及形狀等。優(yōu)化渦激振動海流能捕獲效率的方法是通過設(shè)計(jì)不同參數(shù)或組合參數(shù)的不同方案來實(shí)現(xiàn)。未來的研究工作可以著重于優(yōu)化海流能轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵參數(shù)，提高渦激振動的效果，探索其在清潔能源領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步探討圓柱體渦激振動海流能捕獲效率的影響因素，我們將針對以下三個參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及其影響：

1.流速（m/s）

2.圓柱體直徑（m）

3.圓柱體底部錐角度數(shù)（°）

數(shù)據(jù)來源于《DesignandAnalysisofaVortex-InducedVibrationPowerGenerationSystem》一文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析

1.流速對海流能捕獲效率的影響

實(shí)驗(yàn)用的流速范圍為0.4-1.4m/s。通過對數(shù)據(jù)的分析，我們得到以下流速對海流能捕獲效率的影響曲線：


從圖中可以看出，流速與海流能捕獲效率呈非線性關(guān)系。當(dāng)流速為0.6m/s時，海流能捕獲效率最高，為37.5%；而當(dāng)流速為0.4m/s和1.4m/s時，海流能捕獲效率較低，分別為21.6%和20.5%。

這是因?yàn)樵诘土魉傧拢瑴u激振動效果較弱，渦旋的旋轉(zhuǎn)速度與圓柱體振動速度不夠匹配，不同步振動會使泄漏率增加，減少渦激振動的有效作用力；而在高流速下，渦旋的形成不易，圓柱體的振動也變得復(fù)雜，同時，渦激振動的功率也逐漸增加，但當(dāng)流速過大時，渦激振動的功率又會降低。

2.圓柱體直徑對海流能捕獲效率的影響

實(shí)驗(yàn)用的圓柱體直徑范圍為0.03-0.04m。通過對數(shù)據(jù)的分析，我們得到以下圓柱體直徑對海流能捕獲效率的影響曲線：


從圖中可以看出，當(dāng)圓柱體直徑為0.03m時，海流能捕獲效率最高，為37.5%；而當(dāng)圓柱體直徑為0.04m時，海流能捕獲效率較低，為28.7%。

這是因?yàn)閳A柱體直徑較小時，渦激振動更加穩(wěn)定，海流與圓柱體的表面接觸面積減小，阻力也隨之減小；而當(dāng)圓柱體直徑較大時，接觸面積增大，渦激振動的能量損失也隨之增加，嚴(yán)重影響海流能轉(zhuǎn)化的效率。

3.圓柱體底部錐角度數(shù)對海流能捕獲效率的影響

底部錐角度數(shù)是指圓柱體和錐形的交界處形成的角度，實(shí)驗(yàn)用的底部錐角度數(shù)范圍為26-32°。通過對數(shù)據(jù)的分析，我們得到以下底部錐角度數(shù)對海流能捕獲效率的影響曲線：


從圖中可以看出，當(dāng)?shù)撞垮F角度數(shù)為28°時，海流能捕獲效率最高，為37.5%；而當(dāng)?shù)撞垮F角度數(shù)為26°和32°時，海流能捕獲效率較低，分別為24.4%和22.4%。

這是因?yàn)楫?dāng)?shù)撞垮F角度數(shù)較小時，渦激振動的有效作用范圍較小，反向作用力也較?。欢?dāng)?shù)撞垮F角度數(shù)較大時，渦激振動的能量損失較大，難以實(shí)現(xiàn)有效的海流能轉(zhuǎn)換。而當(dāng)?shù)撞垮F角度數(shù)為28°時，既能實(shí)現(xiàn)渦激振動的有效作用范圍，又能避免能量損失，因此海流能捕獲效率最高。

總結(jié)

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們得到了流速、圓柱體直徑和底部錐角度數(shù)對海流能捕獲效率的影響規(guī)律。高效的海流能轉(zhuǎn)換需要選擇合適的參數(shù)組合，例如流速0.6m/s、圓柱體直徑0.03m和底部錐角度數(shù)28°時，渦激振動海流能捕獲效率最高，達(dá)到37.5%。

此外，需要注意的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是一部分?jǐn)?shù)據(jù)，由實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)置等因素導(dǎo)致的誤差也需要考慮進(jìn)去。為了更準(zhǔn)確地評估渦激振動海流能捕獲效率的影響因素，我們需要獲取更為全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)渦激振動海流能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。渦激振動海流能發(fā)電是一種利用海洋動力進(jìn)行清潔能源轉(zhuǎn)換的重要方法。在實(shí)際應(yīng)用中，渦激振動海流能發(fā)電裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)對于海流能轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備穩(wěn)定性以及安裝維護(hù)等方面起著至關(guān)重要的作用。本文將結(jié)合具體案例，分析渦激振動海流能發(fā)電裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)對海流能轉(zhuǎn)化效率的影響，并就如何優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行探討。

案例背景

該案例為在南太平洋的法屬波利尼西亞上展開的一個海洋清潔能源項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用了渦激振動海流能發(fā)電裝置對海流能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)對太平洋會議組織（SPC）總部的清潔能源供應(yīng)。該發(fā)電裝置采用六臺渦激振動發(fā)電機(jī)組成的一組發(fā)電系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生最大60kW的電力負(fù)載。

該渦激振動海流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括：圓柱體直徑、圓柱體高度、底部錐角度數(shù)、振幅（振幅取決于海洋動力的大?。３酥?，該項(xiàng)目還使用了多種設(shè)備對其進(jìn)行完善，如可拆卸的渦激振動裝置，使其可以用來快速及容易地維護(hù)與回收。

影響參數(shù)的設(shè)計(jì)

影響渦激振動海流能發(fā)電裝置海洋能轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)參數(shù)可能包括以下關(guān)鍵因素：

1.流速(velocity)

流速對海流能轉(zhuǎn)化效率具有直接影響。在本案例中，該設(shè)備始終能夠在4-6節(jié)的流速下運(yùn)行，保證其能夠不斷地產(chǎn)生足夠的能量，使其可以持續(xù)地產(chǎn)生電力。

2.圓柱體直徑(cylinderdiameter)

圓柱體直徑是渦激振動發(fā)電機(jī)中一個顯著的參數(shù)，多數(shù)情況下會對海洋能源的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。該參數(shù)的優(yōu)化可以增加發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性，并降低風(fēng)險。

3.圓柱體高度(cylinderheight)

圓柱體高度也是一個關(guān)鍵參數(shù)。它與圓柱體直徑之間的比率可以對發(fā)電機(jī)的功率和效率產(chǎn)生影響，尤其是在不同的海流洋區(qū)和不同的海洋環(huán)境中。

4.底部錐角度數(shù)(bottomconeangle)

底部錐角度數(shù)的選擇是有技巧性的。太尖的角度可能導(dǎo)致流體過度聚焦，此時渦旋將不夠形成，海流能轉(zhuǎn)換效率也會降低。然而，若角度太平底，則渦旋將無法同時存在，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的下降。

5.渦激振動器選型(vortex-inducedvibrationdevice)

渦激振動器選型也對于效率產(chǎn)生不可忽略的影響。使用適當(dāng)?shù)恼駝悠髂軌蛱岣咝剩拐麄€裝置的穩(wěn)定性得到提升。

參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

對于渦激振動海流能發(fā)電裝置海洋能轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)，下列方法值得一試：

1.確定適當(dāng)?shù)膱A柱體直徑

圓柱體直徑是最重要的渦激振動發(fā)電機(jī)參數(shù)之一，因此需要仔細(xì)優(yōu)化選擇。通過選定合適的圓柱體直徑，能夠增加發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和效率。

2.選擇低阻力翼表面材料

選擇低阻力表面材料可降低圓柱體表面摩擦阻力與流體之間的摩擦損失，從而提高渦激振動海流能轉(zhuǎn)化效率。

3.匹配渦激振動器與海洋動力

渦激振動器應(yīng)為最佳匹配實(shí)際海洋動力的振動器。對于不同的海流洋區(qū)和不同的海洋環(huán)境，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇渦激振動器并加以優(yōu)化。

4.確定適當(dāng)?shù)牡撞垮F角度數(shù)

應(yīng)通過大量的模擬與實(shí)驗(yàn)，來選擇具有合適底部錐角度數(shù)的渦激振動器，此舉能夠提高其在整個海洋環(huán)境下的效率。

5.增加氧氣供應(yīng)

增加氧