综述：扑翼式能量收集器：原理、性能与前景

《Applied Ocean Research》：Flapping-foil energy harvesters: Principles, performance, and prospects

本综述系统梳理了扑翼式能量收集器（FFEH）四十年研究进展，指出其通过控制翼型俯仰-升沉耦合振荡，利用前缘涡（LEV）形成与尾流捕获等非定常涡动力学机制，在低流速环境中能量转换效率可达40%以上。文章重点剖析了运动学参数（减缩频率f*、振幅比H0/c）、流动控制策略（被动/主动流动控制）及系统构型（串联翼型、管道约束）对能量提取效率的协同影响，并指出高雷诺数三维效应、实际环境适应性及动力输出系统集成是当前迈向工程应用的核心挑战。

　　

扑翼式能量收集器的工作机理

扑翼式能量收集器通过模仿鱼类游动和鸟类飞行的生物运动机制，将流体动能转化为可利用的机械能。其核心原理在于翼型在来流中执行周期性的升沉（垂直方向平移）和俯仰（绕轴旋转）耦合运动，通过精确控制运动相位差φ，使流体产生的升力与翼型运动速度同步，从而实现对流体做功。与常规旋转式涡轮机不同，FFEH特别擅长在低流速条件下工作，其能量提取效率峰值在预设运动系统中可达约40%，而采用柔性翼型或主动弯度控制时更是超过50%。

非定常涡动力学与关键参数

FFEH的高效运行严重依赖前缘涡（LEV）的形成与发展。当翼型瞬时攻角超过静态失速阈值时，前缘边界层分离并卷起形成LEV，该涡旋在翼面吸力侧产生低压区，显著增强瞬时升力。研究表明，减缩频率f（f= fc/U_∞，其中f为振荡频率，c为翼型弦长，U_∞为来流速度）是衡量运动非定常性的关键参数，最优能量提取通常发生在f* = 0.12–0.18范围内。俯仰振幅θ₀和升沉振幅H₀的协调优化也至关重要，最佳配置通常对应θ₀≈ 70°–80° 和 H₀/c ≈ 0.8–1.2。

性能提升技术

为突破效率瓶颈，研究者发展了多种性能增强策略。运动学优化方面，采用非正弦轨迹（如梯形波、方波）可更好地对齐涡旋脱落时序与翼型运动，使效率提升30%–50%。流动控制技术则包括被动措施（如固定格尼襟翼、柔性后缘）和主动干预（如主动控制的尾缘襟翼、吹吸气控制），其中主动弯度控制策略在特定条件下可实现效率近80%的提升。系统构型上，串联翼型阵列可通过捕获上游翼型的尾流能量，将系统总能效提升至64%；而管道或壁面约束则通过加速局部流动，使功率系数最高提升85%。

当前挑战与未来方向

尽管实验室研究成效显著，FFEH技术向实际应用过渡仍面临多重挑战。三维流动效应（如翼尖涡、展向流动）可使二维模型预测的高效率损失达28%。环境因素（剪切流、波浪扰动、自由表面效应）会破坏涡动力学的相位同步性，导致性能衰减。此外，动力输出系统（PTO）的机械损耗、实际环境下的结构耐久性以及阵列部署时的流固耦合控制等问题，都需通过高保真数值模拟、长期现场试验和数据驱动控制策略进一步解决。未来研究应聚焦于雷诺数缩放律、自适应控制算法及系统级能量优化，以推动FFEH从实验室原型向商业可行的可再生能源解决方案转化。