本发明专利技术公开了一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置和方法，其中装置包括，竖直定轴、可绕定轴旋转的水平的悬臂和竖直俘能柱体。悬臂和定轴之间通过扭转弹簧连接。悬臂沿长度方向设有导轨滑块组件，上面垂直于悬臂悬挂俘能柱体，俘能柱体可以沿悬臂长度方向振动。整个装置包含悬臂绕定轴的转动自由度和俘能柱体沿悬臂长度方向的平移自由度。定轴底部装有驱动电机可以带动定轴旋转改变悬臂方向。此方案可以激发横流和顺流双向涡激振动，其俘能效率更高。同时，流速和流向发生变化时，该方案可以通过旋转定轴调整悬臂和来流之间的夹角，调整俘能柱体在横流方向上的自振频率使其和涡泄频率保持一致，从而有更宽的流速流向俘能范围。围。围。
【技术实现步骤摘要】
一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置和方法
[0001]本专利技术涉及清洁能源开发
，更具体地，涉及一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置和方法。
技术介绍
[0002]化石能源的消耗是导致我国碳排放居高不下的主要因素之一，开发利用绿色清洁能源，完成能源转型是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的有效途径。海岸线，蕴藏有丰富的海流能，是当前绿色清洁能源利用和开发的热点领域。传统基于桨叶式的海流能俘能装置成本高、占地大、俘能效率低以及启动流速高等缺点限制了其商业化发展。针对这一问题，“涡激振动”俘能方案被引入海流能的开发利用中，通过海流流经钝体形成的涡泄力激发钝体运动，将流体流动能量转化为机械振动能量，这一过程称为涡激振动俘能。
[0003]目前，涡激振动俘能方案大都利用横流向涡激振动进行俘能，而研究表明横流向和顺流向的双向涡激振动更剧烈，俘能效率也更高。此外，常见涡激振动俘能装置只能利用特定流向的来流，且仅当钝体的自振频率和涡泄频率相近时才会出现较大幅度的涡激振动，因此其有效振动流速和流向范围较窄，无法满足海流强弱和方向变化条件下的振幅最大化要求。
[0004]因此，如何提供一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置和方法成为本领域亟需解决的技术难题。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置和方法。
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供了一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置，包括，流速和流向仪、处理器、定轴、驱动电机、悬臂、扭转弹簧、俘能柱体、滑块滑轨组件和平移弹簧；
[0007]所述驱动电机固定安装在地面上；所述定轴竖直于地面，并且所述定轴的一端与所述驱动电机的输出端连接；所述定轴的另一端与所述扭转弹簧的一端连接；所述悬臂的一端与所述扭转弹簧的另一端连接，且与所述定轴垂直；所述滑块滑轨组件安装在悬臂上，其能够在悬臂上滑动；所述俘能柱体安装在所述滑块滑轨组件上，且与所述悬臂垂直；所述平移弹簧设置在滑块滑轨组件的两端；
[0008]所述流速和流向仪与所述处理器电连接；所述驱动电机与所述处理器电连接。
[0009]根据本专利技术的第二方面，提供了一种宽流速多流向双向涡激振动俘能方法，包括本专利技术第一方面任一项所述的一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置，方法包括：
[0010]以定轴轴线为原点O，建立固定直角坐标系X
‑
Y；
[0011]定义顺时针为正，逆时针为负；
[0012]以X轴逆时针角度β定义悬臂方向；
[0013]以X轴逆时针角度γ定义来流方向；
[0014]流速和流向仪测量海流的流速为V和流向为γ，并将所述流速V和流向γ发送给所述处理器；
[0015]所述处理器根据流速V和俘能柱体直径D计算涡泄频率f
s
；
[0016]所述处理器根据涡泄频率f
s
、俘能柱体距定轴的距离L、悬臂支撑端扭转弹簧刚度k
T
、俘能柱体支撑弹簧刚度、俘能柱体的质量m
v
、圆柱附加质量m
a
和悬臂绕定轴的转动惯量J，计算目标夹角α；
[0017]处理器根据当前悬臂方向β0、当前流向γ和目标夹角α计算所需转动角度为α
‑
(γ
‑
β0‑
π)；
[0018]所述处理器根据计算的所需转动角度，向驱动电机发送驱动指令；
[0019]所述驱动电机接收所述驱动指令进行作动，使定轴旋转指定角度。
[0020]可选地，若γ
‑
β0‑
π的绝对值大于2π，计算所需转动角度前，γ
‑
β0‑
π应先减去2π；
[0021]若所述计算的所需转动角度的绝对值大于2π，需要减去2π。
[0022]可选地，所述处理器根据涡泄频率f
s
、俘能柱体距定轴的距离L、悬臂支撑端扭转弹簧刚度k
T
、俘能柱体支撑弹簧刚度、俘能柱体的质量为m
v
、圆柱附加质量m
a
和悬臂绕定轴的转动惯量J，计算目标夹角α的方法包括：
[0023][0024]其中，k
s
为2倍的俘能柱体支撑弹簧刚度。
[0025]可选地，对公式的计算结果取正锐角。
[0026]可选地，所述所需转动角度为正数，则逆时针转动；所述所需转动角度为负数，则顺时针转动。
[0027]根据本专利技术公开的
技术实现思路
，具有如下有益效果：可以激发横流和顺流双向涡激振动，相较于传统单向涡激振动有更高的俘能效率；当流速和流向发生变化时，可以通过旋转定轴调整悬臂和来流之间的夹角，改变结构在横流向上的等效刚度和等效质量，使得横流方向上俘能柱体的等效自振频率和流速的涡泄频率保持一致，达到扩大涡激振动有效俘能流速和流向范围的目的。
[0028]通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
[0029]被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。
[0030]图1为根据实施例提供的一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置示意图；
[0031]图2为根据实施例提供的双自由度及俘能柱体的双向涡激振动示意图；
[0032]图3为根据实施例提供的旋转定轴调节悬臂方向的示意图；
[0033]图4为根据实施例提供的横流向等效刚度的计算原理示意图；
[0034]图5为根据实施例提供的横流向等效质量的计算原理示意图；
[0035]图6为根据实施例提供的坐标系及方向角度规定示意图；
[0036]图7为根据实施例提供的一种宽流速多流向双向涡激振动俘能方法流程图。
[0037]附图标记说明：1
‑
流速和流向仪，2
‑
处理器，3
‑
定轴，4
‑
驱动电机，5
‑
悬臂，6
‑
扭转弹簧，7
‑
俘能柱体，8
‑
滑块滑轨组件，9
‑
平移弹簧。
具体实施方式
[0038]现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。
[0039]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。
[0040]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0041]在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置，其特征在于，包括：流速和流向仪、处理器、定轴、驱动电机、悬臂、扭转弹簧、俘能柱体、滑块滑轨组件和平移弹簧；所述驱动电机固定安装在地面上；所述定轴竖直于地面，并且所述定轴的一端与所述驱动电机的输出端连接；所述定轴的另一端与所述扭转弹簧的一端连接；所述悬臂的一端与所述扭转弹簧的另一端连接，且与所述定轴垂直；所述滑块滑轨组件安装在悬臂上，其能够在悬臂上滑动；所述俘能柱体安装在所述滑块滑轨组件上，且与所述悬臂垂直；所述平移弹簧设置在滑块滑轨组件的两端；所述流速和流向仪与所述处理器电连接；所述驱动电机与所述处理器电连接。2.一种宽流速多流向双向涡激振动俘能方法，其特征在于，包括权利要求1所述的一种宽流速多流向双向涡激振动俘能装置，方法包括：以定轴轴线为原点O，建立固定直角坐标系X
‑
Y；定义顺时针为正，逆时针为负；以X轴逆时针角度β定义悬臂方向；以X轴逆时针角度γ定义来流方向；流速和流向仪测量海流的流速为V和流向为γ，并将所述流速V和流向γ发送给所述处理器；所述处理器根据流速V和俘能柱体直径D计算涡泄频率f
s
；所述处理器根据涡泄频率f
s
、俘能柱体距定轴的距离L、悬臂支撑端扭转弹簧刚度k
T
、俘能柱体支撑弹簧刚度、俘能柱体的质量m
v
、圆柱附加质量m
a
和悬臂绕定轴的转动惯量J，计算目标夹...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲杨，王丕光，徐浩然，赵密，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。