利用圆柱涡激振动获取电能
流体动力学
2017-12-06 v1
摘要
本文通过数值方法研究了利用圆柱涡激振动(VIV)产生电能的过程。圆柱可在来流垂直方向上自由振荡。圆柱连接有一块磁铁,该磁铁可沿由导电导线绕成的线圈轴线运动。磁铁与线圈共同构成一个基本发电机。当圆柱发生VIV时,磁铁的运动在线圈两端产生电压,线圈连接至电阻负载。根据楞次定律,线圈中的感应电流对磁铁施加阻力。实际上,发电机对圆柱施加了一个阻尼系数随空间变化的阻尼力。在本文报道的初步研究中,雷诺数限制在Re < 200,以使流动为层流且二维(2D)。不可压缩二维Navier-Stokes方程使用经过充分验证的基于谱元的求解器求解。量化了电磁(EM)阻尼常数xi_m、线圈尺寸(半径a、长度L)以及质量比对提取电能的影响。研究发现存在一个最优的xi_m值(xi_opt),此时产生最大电能。随着线圈半径或长度的增加,观察到xi_opt值增大。尽管最大平均功率保持不变,但较大的线圈半径或长度使系统更具鲁棒性,即在xi_m远离xi_opt时仍能提取相对较大的功率,这与恒定阻尼比情况不同。平均功率输出也是雷诺数的函数,主要通过层流范围内至少随雷诺数增加而增加的最大振荡幅值体现,尽管一般定性结论似乎也适用于高雷诺数VIV。
引用
@article{arxiv.1712.01588,
title = {Harnessing Electrical Power from Vortex-Induced Vibration of a Circular Cylinder},
author = {Atul Kumar Soti and Mark C. Thompson and John Sheridan and Rajneesh Bhardwaj},
journal= {arXiv preprint arXiv:1712.01588},
year = {2017}
}