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VIVF系统通过轻质结构在高低阻尼下均能维持大振幅振动，显著提升能量收集效率的鲁棒性，实验与模型验证显示其工作范围比传统VIV系统宽泛，且效率受阻尼影响较小。
韩鹏|周灿然|史彦云|冯凯轩|王俊磊|赵继生
中国西安交通大学航空航天学院机械结构强度与振动国家重点实验室，西安，710049
摘要
涡流诱导振动（VIV）通常具有自限性，并且对结构阻尼非常敏感，这限制了基于VIV的传统能量收集器在流速范围内的应用。尽管增加阻尼可以提高机械能到电能的转换效率，但同时也会抑制振动幅度，从而限制了流体到结构的能量传递。本研究探讨了一种轻质结构，该结构表现出持续的不稳定振荡，称为“永远的涡流诱导振动”（VIVF），即使在高阻尼条件下也能保持较大的振荡幅度。本研究结合实验、简化模型（ROM）和从ROM推导出的分析模型（AM），来评估这种VIVF系统的能量收集效率的鲁棒性。在广泛的结构阻尼比和流速范围内，使用ROM预测了能量收集效率，并将其与常规VIV系统的鲁棒性进行了比较。分析模型提供了对鲁棒性的定量评估，并阐明了其与质量比的关系。ROM和AM的预测结果均通过实验数据得到了验证。此外，还在非设计流速和阻尼条件下进行了效率比较，以评估其鲁棒性。本研究表明，基于VIVF的能量收集器在轻质结构下表现出显著的效率鲁棒性，即使在远离最佳设计点的条件下也能保持高效率。这一发现证实了基于VIVF的能量收集器在复杂操作环境中的潜力。
引言
涡流诱导振动（VIV）是流体-结构相互作用（FSI）的典型现象，应用范围从桥梁中的风致振动（Lei和Wang，2024）到鱼类在涡街中的推进（Tucker Harvey等人，2022）。VIV的一个显著特征是锁相现象，当涡流脱落频率接近或匹配结构系统的自然频率时会发生这种现象。这种频率对齐导致涡流脱落与结构振动之间的同步，从而产生显著的振幅振荡。
在传统的工程背景下，特别是在锁相状态下，VIV通常被视为导致结构疲劳并危及安全的一个破坏性因素。在海洋工程中，一个著名的例子是油管在复杂海流作用下的疲劳失效风险（Lie和Kaasen，2006）。同样，在航空航天工程中，由机翼与气流相互作用引起的VIV会对飞行稳定性产生不利影响（Poirel等人，2008）。然而，最近的研究探索了利用VIV进行可再生能源提取的潜力，因为这种现象使结构能够从流体流动中吸收大量的动能（Bernitsas等人，2008；Wang等人，2020；Wang等人，2017）。因此，深入理解VIV的机制和影响因素对于推进其在可再生能源技术中的应用至关重要。
对于圆柱体（图1），控制VIV的关键结构参数是质量比（表示为），其中ms是结构质量，D是直径，ρ是流体密度）和阻尼比（表示为ζ，即结构阻尼与临界阻尼的比值（Khalak和Williamson，1999）。锁相范围，即在观察到大振幅振荡时的减速区间，严重依赖于这两个参数。减速速度的计算公式为，其中U代表自由流速度，fnw是结构在静止流体中的自然频率。通常观察到，减小质量和阻尼比可以扩大锁相范围并增加振荡幅度（Williamson和Govardhan，2004）。然而，Govardhan和Williamson（2002）发现，在质量比低于临界值的轻质结构中存在一种持续的不稳定振荡，称为“永远的涡流诱导振动”（VIVF）。具体来说，对于圆柱体，存在一个临界质量比0.54，低于该比值时，结构即使在无限高的减速速度下也能保持大振幅振动。从物理角度来看，对于足够轻的结构，尾流动力学产生的有效附加质量力足以在越来越宽的减速速度范围内平衡结构惯性。因此，不再需要与常规VIV相关的经典共振约束，从而允许大振幅振荡持续存在而不会受到失谐效应的限制（Morse和Williamson，2009；Navrose和Mittal，2017）。Han等人（2023c）的后续工作表明，阻尼对这种现象的影响有限，因为在相对较高的结构阻尼下，VIVF仍然能够保持几乎不变的振动幅度。此外，线性不稳定性分析表明，与VIVF相关的尾流模式始终是不稳定的，具有正增长率，从而维持大振幅振动。同时，实验观察表明，VIVF的特点是圆柱体的非稳态振动频率与涡流脱落频率之间的持续同步。值得注意的是，VIVF的详细物理机制尚未完全阐明，因为无限减速速度的概念是基于结构刚度消失的理想化假设，但这超出了本研究的范围。
VIV能量收集通过结构振荡将流动的动能转化为机械能，然后进一步转化为电能。许多研究探讨了弹性安装的刚性圆柱体的能量提取能力，特别关注了质量、阻尼和其他结构参数的影响（Chandran等人，2018；Han等人，2023a；Pal和Soti，2025；Soti等人，2017；Soti等人，2018；Verma和De，2023）。数值和实验研究表明，振动幅度、锁相特性以及从流体到结构的能量传递受到质量比的强烈影响，质量比在决定可实现的收集性能中起着核心作用。最近的研究进一步研究了质量比的变化如何影响基于VIV的能量收集器的能量提取效率和操作范围（Asok等人，2024；Han等人，2023a；Muhammed等人，2024）。此外，关于流诱导振动能量收集的综合性综述也总结了这些发展，并强调了质量和阻尼参数在传统VIV基能量收集设备中的关键作用（Gong和Dally，2025；Rashki等人，2025；Wang等人，2020）。通常，传统收集器由于锁相区域受限而具有狭窄的操作范围，限制了系统的鲁棒性。目前，鲁棒性被定义为能量收集效率在非设计操作条件下保持相对较高的能力。这在自然流动环境（如海洋和河流）中的应用是一个挑战，因为流动条件具有时间和空间上的变化性。为此，最近的研究越来越重视提高能量收集的鲁棒性。一些方法包括通过将跳跃现象与VIV耦合（Zhou等人，2021）和改变截面形状（Li等人，2025）来引入多稳态机制，这两种方法都旨在增强流动-结构相互作用并在更宽的流速范围内捕获大量能量。尽管在提高鲁棒性方面取得了成功，但这些策略往往引入了不希望的局限性，例如系统复杂性增加、动态响应不可预测以及启动流速较高。本文提出了一种更简单的替代方案，通过利用VIVF特性通过轻质结构来扩大锁相范围，从而实现更广泛的有效能量收集。因此，它提供了一种直接的方法来提高能量收集的鲁棒性，同时保持结构的简单性和对复杂环境的适应性。
系统的能量转换效率（即收集效率）也与阻尼比直接相关。较高的阻尼有助于将结构动能转化为电能（Han等人，2023a）。然而，增加阻尼通常会抑制VIV响应，缩小锁相范围并限制从流动中捕获的能量（Soti等人，2018）。这种权衡阻碍了效率的提高。相比之下，由于对阻尼的敏感性较低，质量比低于临界值的圆柱体预计可以通过增加结构阻尼来提高能量转换效率，而不影响流体动能的吸收，从而提高整体能量收集效率。轻质结构可以在广泛的阻尼值和流速范围内实现高效率。这显著扩大了系统的操作范围，并在变化的流动条件下提高了鲁棒性，为VIV能量收集系统的设计提供了新的视角（Asok等人，2024；Han等人，2023a）。
本研究考察了具有临界质量比的轻质结构的VIV能量收集性能。使用理论简化模型和实验测试分析了减速速度和阻尼比对能量收集效率的影响。同时，还与传统的自限VIV能量收集系统进行了最佳效率和鲁棒性的比较分析，并通过分析模型对能量收集效率的鲁棒性进行了定量评估。此外，还通过与非最佳流动条件下的传统收集器进行比较来进一步分析鲁棒性。
实验细节
本节重点介绍实验设置和结构参数的识别，这些参数随后用于第2.2节中描述的简化模型和分析模型。流体-结构系统是使用澳大利亚莫纳什大学航空与工业研究流体实验室（FLAIR）的低摩擦空气轴承装置和自由表面循环水通道进行建模的。图2显示了实验设置的关键部分
结果
本节比较了从简化模型（ROM）和实验获得的轻质结构的能量收集效率，并分析了其与自限VIV能量收集器的性能。此外，还通过ROM分析了两种系统在各种减速速度和阻尼比下的效率，并引入了一种定量分析方法来估计轻质能量收集器的鲁棒性。
讨论
虽然第3.2节重点讨论了最佳阻尼下的鲁棒性，但实际的能量收集应用往往涉及流速可能显著变化的复杂操作条件（Zhang等人，2022）。此外，由于结构强度、稳定性和尺寸的限制，实际系统可能不会始终在其最佳阻尼比下运行。因此，在非最佳减速速度和阻尼比下评估效率是必要的
结论
本研究综合了实验测量、简化模型（ROM）和从ROM推导出的分析模型（AM），研究了具有临界质量比的VIVF能量收集器的性能。与传统的自限VIV能量收集系统进行了比较，得出以下结论：
（1）轻质结构显著扩展了有效的能量收集带宽，从而大幅提高了操作
CRediT作者贡献声明
韩鹏：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，监督，资源管理，项目管理，方法论，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。周灿然：撰写原始草稿，可视化，软件，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。史彦云：写作 – 审稿与编辑，方法论，形式分析，数据管理，概念化。冯凯轩：写作 – 审稿与编辑，可视化，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：12302317、92252204和52277227）、中央高校基本科研业务费（授权号：xtr052025027）、西安交通大学青年人才支持计划以及澳大利亚研究委员会通过发现早期职业研究员奖（DE200101650，J.Z.）的支持。
