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潮流能转换装置阻尼条件下圆柱振子涡激振动现象研究
摘要
本文以潮流能转换装置中的圆柱振子为对象，考虑了阻尼条件下的涡激振动问题。通过数值模拟和实验研究，研究了潮流能转换装置圆柱振子的振动特性及其涡激振动现象。结果表明，在一定条件下，圆柱振子表现出了涡激振动现象，并且对圆柱振子的振幅及其频率产生了影响。本文的研究对于提高潮流能转换装置的效率和稳定性具有重要的意义。
关键词：潮流能转换装置，圆柱振子，涡激振动，阻尼条件
引言
潮流能转换装置作为一种新兴的海洋能源开发途径，受到了越来越多的关注。其中，圆柱振子作为一种常用的转换装置，其涡激振动现象一直是研究的热点之一。涡激振动不仅会影响圆柱振子的稳定性和寿命，还会对转换效率产生影响。因此，研究圆柱振子的涡激振动现象，对于提高潮流能转换装置的效率和稳定性具有重要的意义。
本文采用数值模拟和实验研究的方法，研究了阻尼条件下圆柱振子的涡激振动现象。首先，介绍了圆柱振子及其流场特性，接着，对影响涡激振动的因素进行了分析，然后，分别进行了数值模拟和实验研究，最后，对结果进行了分析和讨论。研究表明，在一定条件下，圆柱振子会表现出涡激振动现象，并且对其振幅及其频率产生了影响。
1.圆柱振子及其流场特性
圆柱振子是潮流能转换装置中常用的一种转换器。其结构如图1所示。
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图1圆柱振子结构图
当水流经过圆柱振子时，会产生流场，如图2所示。
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图2圆柱振子流场图
在流场中，会出现脱落现象，即流体从圆柱表面脱离，并形成涡旋。这种现象被称之为维诺街脱落，其示意图如图3所示。
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图3维诺街脱落示意图
2.影响涡激振动的因素分析
涡激振动是指圆柱振子在沿绕流方向振动时，由于维诺街的影响，圆柱振子会在特定条件下出现激励振动的现象。因为涡激振动的出现会影响圆柱振子的稳定性和寿命，使得设备效率下降，因此，影响涡激振动的因素一直是研究的热点。
2.1圆柱振子的尺寸对涡激振动的影响
圆柱振子的尺寸包括直径和长度两个方面，实验表明，当圆柱振子的直径与流速的比值在3-5之间时，最容易出现涡激振动。而当圆柱振子的长度与直径的比值在2-5之间时，也会促进涡激振动的发生。
2.2流速对涡激振动的影响
流速是影响涡激振动的重要因素。一般来说，当流速较大时，涡激振动的概率较小，而当流速较小时，涡激振动的概率较大。因此，在潮流能转换装置中，需要根据不同的水深和地形等综合因素，选择合适的流速范围，以减少涡激振动的发生。
2.3阻尼对涡激振动的影响
阻尼是影响涡激振动的另一个重要因素。当阻尼较小时，圆柱振子容易产生涡激振动。而当阻尼较大时，涡激振动的产生则相对减少。
3.数值模拟研究
为了探究涡激振动现象，本文采用了数值模拟的方法。通过计算流体対圆柱振子的作用力，模拟了涡激振动的产生和演化过程。具体方法如下：
3.1建立数值模型
模拟采用了二维不可压缩流动模型，使用了计算流体力学（CFD）软件进行计算。模型中，采用了无限远边界条件和周期性边界条件，圆柱的直径为D，流速为U，密度为ρ，粘性系数为μ。
3.2模拟流场特性
在进行模拟计算后，获得了圆柱振子表面的涡度和压力变化曲线，如图4所示。
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图4模拟流场字符曲线
从图4可以看出，当流速达到一定值时，激流将产生脱落现象，进而产生涡旋，导致圆柱振子产生振动。
4.实验研究
为了验证数值模拟的结果，本文进行了实验研究。具体方法如下：
4.1实验设备
本文采用了基于Arduino平台的加速度计和单片机模块，通过串口通信和电脑相连，实现圆柱振子的位移和振动频率的实时测量。
4.2实验过程
在实验过程中，设置了不同的流速和圆柱振子的直径，通过实时测量圆柱振子的位移和振动频率，获得了涡激振动的现象。
具体实验结果如图5所示。
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图5实验结果图
5.讨论
通过数值模拟和实验研究，得出了以下结论：
在阻尼条件下，圆柱振子会出现涡激振动现象。
涡激振动会影响圆柱振子的振幅及其频率特性。
圆柱振子的尺寸、流速和阻尼是影响涡激振动的重要因素。
6.结论
本文研究了潮流能转换装置中的圆柱振子涡激振动现象，采用了数值模拟和实验研究的方法，探讨了阻尼条件下圆柱振子的涡激振动现象及其影响因素。研究表明，在一定条件下，圆柱振子会出现涡激振动现象，并且对其振幅及其频率产生了影响。本文的研究对于提高潮流能转换装置的效率和稳定性具有重要的意义。