附加旋轉圓柱的渦激振動發電裝置水動力特性研究

丁廣佳，及春寧，徐曉黎，許棟，呂迎雪

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；3.中交第一航務工程局有限公司，天津 300456；4.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

1 研究背景

我國沿岸海流資源豐富，可為社會經濟發展提供充足且廉價的清潔能源[1]。然而，我國沿岸海流流速普遍偏低（＜1.5 m/s），使得起動流速較高（＞2.0 m/s）的傳統海流能利用裝置（如渦輪機、水下風車等）的應用受到限制。新型VIVACE（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy）海流能利用裝置[2]利用柱體在海流作用下的渦激振動俘獲海流能，與波浪能利用裝置[3]相比，具有能量可利用時間長的特點，并且其起動流速低（0.25 m/s）、能量密度高、結構簡單可靠、維護費用低[2]，具有十分突出的經濟效益和社會價值，符合我國“雙碳目標”的發展戰略。

目前，國內外多位學者針對VIVACE的能量利用效率優化開展了許多富有成效的研究工作[4-6]，并應用被動流動控制[7-9]和主動流動控制[10-12]顯著提高了VIVACE的振幅和流速響應區間。與被動流動控制相比，主動流動控制可根據裝置所處的實時水動力環境動態調整控制策略，使得VIVACE海流能利用裝置時刻處于最優俘能狀態。及春寧等[13]應用主動流動控制，提出了一種附加旋轉圓柱的渦激振動發電裝置，如圖1所示。該裝置可主動調整附加圓柱的轉動，控制主圓柱周圍的流態，以增大圓柱的振幅和流速響應區間，提高一級能量利用效率。然而，實際海洋環境惡劣多變，在優化其工作性能的同時，也必須考慮其生存性問題。……