[论文解读] Energy harvesting using vortex-induced vibrations of tensioned cables

Clément Grouthier, Sébastien Michelin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Vibration and Dynamic Analysis被引用 7

一句话总结

本文研究了利用尾迹振子模型从绷紧电缆的涡激振动（VIV）中进行能量收集，表明当电缆的运动与尾迹振荡频率实现锁定时，连续和离散能量收集配置均能达到约0.2的最高效率。该方法实现了可扩展的、适应流场的能源采集，具有大规模部署的潜力。

ABSTRACT

The development of energy harvesting systems based on fluid/structure interactions is part of the global search for innovative tools to produce renewable energy. In this paper, the possibility to harvest energy from a flow using vortex-induced vibrations (VIV) of a tensioned flexible cable is analyzed. The fluid loading on the vibrating solid and resulting dynamics are computed using an appropriate wake-oscillator model, allowing one to perform a systematic parametric study of the efficiency. The generic case of an elastically-mounted rigid cylinder is first investigated, before considering an infinite cable with two different types of energy harvesting : a uniformly spanwise distributed harvesting and then a periodic distribution of discrete harvesting devices. The maximum harvesting efficiency is of the same order for each configuration and is always reached when the solid body and its wake are in a frequency lock-in state.

研究动机与目标

• 分析绷紧柔性电缆中涡激振动（VIV）能量收集的可行性与效率。
• 比较沿电缆连续分布与离散分布能量收集器的最优功率提取效果。
• 确定在何种条件下能量收集效率达到最大值，特别关注频率锁定现象。
• 评估基于VIV的能量收集系统在大规模、流体驱动系统中的可扩展性与适应性。

提出的方法

• 采用基于Facchinetti等（2004b）和de Langre（2006）的尾迹振子模型，模拟流固耦合与VIV动力学行为。
• 将系统建模为具有分布式或周期性能量收集装置的无限长绷紧电缆，采用线性化尾迹振子方法。
• 开展参数研究，分析阻尼密度、张力及收集器间距对能量收集效率的影响。
• 锁频条件定义为尾迹频率与结构模态频率同步，关键参数通过量纲分析推导得出。
• 通过归一化功率输出计算能量收集效率，结果与已知配置（如弹性支承刚性圆柱体）进行验证。
• 应用量纲缩放方法估算实际性能，包括在1.5 m/s流速下100 m长电缆的总功率输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 绷紧电缆在涡激振动条件下可实现的最大能量收集效率是多少？
• RQ2 在相同流场条件下，连续与离散能量收集配置的效率如何比较？
• RQ3 在电缆结构模态与尾迹振荡频率发生锁定时，能量提取达到最大值的条件是什么？
• RQ4 通过自适应张力控制，系统是否能在不同流速下保持高效率？
• RQ5 阻尼密度、收集器间距和电缆张力等关键参数如何影响整体收集性能？

主要发现

• 在频率锁定状态下，连续与离散能量收集配置的最大能量收集效率均约为0.2（20%）。
• 对于弹性支承的刚性圆柱体，最优效率出现在δ = 0.89且ξ = 0.18时，对应特定的无量纲频率与阻尼比。
• 对于具有局部化收集器的绷紧电缆，最优效率出现在π/l = 0.92且ξ = 3.65时，表明存在不同但可比的性能区间。
• 当张力与流速成平方关系（Θ ∼ U²）时，最优阻尼器间距L ≈ 4 m变为速度无关，从而在不同流速下实现稳定性能。
• 在1.5 m/s流速下，100 m长、直径0.04 m的电缆，若使用25个收集器且间距为4 m，并经最优调谐，可实现约1215 W的功率输出。
• 结果对纯横向运动与线性电缆动力学的假设具有鲁棒性，因尾迹振子模型能准确捕捉关键的锁定与效率趋势。