基於渦激振動原理的人工肌肉潮流能發電裝置基礎研究

《基於渦激振動原理的人工肌肉潮流能發電裝置基礎研究》是依託中國海洋大學，由王樹傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於渦激振動原理的人工肌肉潮流能發電裝置基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王樹傑
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

針對我國沿海大部分地區潮流流速偏低的狀況，提出了基於渦激振動原理的人工肌肉潮流能發電裝置的概念。該裝置採用振子在潮流中的渦激振動現象來實現海水動能向裝置運動件動能的高效轉化，並利用介電彈性體人工肌肉電致動特性的反現象將振子的動能直接轉化為電能。本項目將從原理上探討有阻尼條件下裝置振子在流體作用下的渦激振動特性，通過理論分析、數值模擬和模型試驗得到各項參數對其水動力學特性的影響規律，對參數進行最佳化，合理選擇結構參數，儘可能增大渦激振動的振幅，降低起振流速等，達到最佳化性能指標的目的；研究介電彈性體人工肌肉的發電性能，探索人工肌肉在潮流能發電裝置中的套用方式，得出其與渦激振動裝置的功率匹配關係；在參數最佳化的基礎上進行結構設計，製作發電裝置小型樣機。

結題摘要

本項目針對我國沿海大部分地區潮流流速偏低、深度較淺的狀況，提出了一種基於渦激振動原理的人工肌肉潮流能發電裝置的新構想。該裝置採用振子在潮流中的渦激振動現象來實現海水動能向裝置運動件動能的高效轉化，並利用非線性介電彈性體人工肌肉電致動特性的反現象將運動件的動能直接轉化為電能。 從渦激振動現象的原理出發，通過對渦激振動潮流能轉換裝置的設計建立其簡化的物理模型，並進一步藉助半經驗尾流振子模型建立起振動系統的數學模型。對渦激振動潮流能轉換裝置建立物理模型、半經驗數學模型、實驗樣機模型，基於有限元分析軟體ADINA進行非線性流固耦合數值模擬，分別建立流場域和結構域，選用適當的有限元分析方法，利用ADINA軟體進行不同參數變數下的二維流固耦合數值模擬，得到不同流速、不同剛度、不同振子直徑以及不同阻尼形態下的振動回響。 另一方面，通過理論計算和實驗研究得到介電彈性體的發電過程和渦激振動的獲能原理；根據介電彈性體的發電原理和過程，設計了圓環形狀的發電單元模型，通過實驗的測試進行最佳化發電單元的內外框直徑以及介電彈性體薄膜預拉伸倍率等參數，並在渦激振動獲能裝置的基礎上進行結構改進，使介電彈性體發電單元與渦激振動獲能裝置結合起來，使潮流能能夠通過渦激振動獲能裝置帶動介電彈性體換能單元發電模組循環工作進行發電。 基於對介電彈性體的發電原理的研究，對換能單元進行了設計，對參數進行了計算和最佳化，確定了介電彈性體在渦激振動獲能裝置上發電的設計方法和設計思路。 在實驗室條件下，對有無非線性換能單元阻尼情況分別進行水槽實驗，最終完成潮流能轉換裝置阻尼條件下圓柱振子的渦激振動現象研究。結合數值模擬結果及參數設定，完成了樣機水槽實驗，分別記錄了有無非線性換能單元阻尼時，各個變數條件下振動的最大振幅結果，振子的振動頻率結果。通過對實驗結果的整理，又反過來驗證了數值模擬方法的可靠性。 通過對潮流能轉換裝置阻尼條件下圓柱振子渦激振動現象的系列研究，理論與實際相結合驗證了該裝置獲能的可行性，初步揭示了各變數參數之間的匹配範圍。為這種新型潮流能轉換裝置的進一步研究以及最終的工程套用奠定了有意義的理論基礎。