利用汇聚加速度效应提升了流致振动能量收集性能

《Ocean Engineering》：Flow-induced vibration energy harvesting performance enhanced with convergent-acceleration effect

基于收敛加速效应的振动能量收集器设计及其性能优化，通过优化加速轮廓和弹性安装的Bluff body形状，显著降低启动流速达58.3%，提升能量转化效率508.3%。采用风洞实验和CFD模拟验证了收敛加速度对流体加速及涡激振动的增强作用。

　　

孙洪军|杨泽尧|李金霞|杨振

天津大学电气与信息工程学院，中国天津，300072

摘要

流致振动能量采集技术可以将流体能量转化为电能，为微功率设备提供自供电解决方案。尽管取得了进展，但大多数设备的启动流速仍较高且效率较低。本文提出了一种基于收敛加速效应的新型流致振动能量采集器（FIVEH），旨在提高性能，尤其是降低启动流速。通过对收敛加速器轮廓的优化，并通过风洞实验验证了流场调制效果。具有1.67收缩比的五次曲线加速器由于流体加速稳定且压力梯度平滑，使得涡流诱导振动的启动流速降低了62.3%。同时优化了弹性安装的钝体形状，并比较了不同位置的能量采集性能。结果表明，加速器后部的三角形圆柱体具有最佳性能，效率提高了508.3%，启动流速降低了58.3%。仿真显示，逐渐减小的轮廓在流向和展向方向上增加了压力差，从而增强了涡脱落效应和钝体上的交变流体升力，提高了振动幅度并降低了启动流速。

引言

随着能源短缺和生态问题的日益严重，可再生能源的开发已成为全球优先事项（Melikoglu, 2018）。在海洋环境中，潮汐和海洋流动能量具有巨大潜力（Gu et al., 2025）。流致振动能量采集器（FIVEH）能够从各种流体环境中获取能量，在海洋监测和海上风力发电中尤为有用，有助于缓解能源危机和环境污染（Dai et al., 2015; Abu Sofian et al., 2024; Xu et al., 2020）。与传统的大规模系统相比，FIVEH设备结构简单、成本低廉且易于维护（Bakhtiar et al., 2024; Naqash et al., 2025），适用于分散式供电和自供电微电子系统（Yang, 2024）。它们在物联网、环境监测和结构健康监测领域也有广泛的应用前景（Naqvi et al., 2022; Kang et al., 2024; Dip et al., 2023）。然而，海洋环境中的低流速和强烈的季节性变化要求在宽流速范围内实现更高的捕获效率以及更低的启动流速，以应对这些技术挑战（Liu et al., 2019a）。

为了提高能量采集性能，研究人员试图优化FIVEH，以实现不同的振动响应，例如涡流诱导振动（VIV）、驰振现象以及单自由度圆柱形能量采集器的VIV-驰振相互作用。其中，最受关注的是弹性安装的钝体截面的优化（“无叶片风能采集器”，2025；Luo et al., 2025；Zhu et al., 2025；Shahsavari et al., 2024；Shahsavari et al., 2025）。对于基于VIV的研究，扩展锁定范围和增加振动幅度是关键目标。Wang et al.（2023）设计了一种带有方形槽的圆柱体，使振幅翻倍；而三角形槽将带宽提高了75%。然而，锁定范围仍限制在2-4 m/s，限制了其在高流速环境中的使用。最近的研究转向了基于驰振的设计，这些设计具有较大的振幅和单调的响应特性。例如，Zhao et al.（2020）开发了一种漏斗形驰振采集器，最大功率密度为2.34 mW/cm3，但其启动流速达到了7 m/s。为了降低启动流速并提高性能，研究人员探索了VIV-驰振相互作用，特别是完全相互作用。通过向圆柱体钝体添加不同附件，广泛采用了被动湍流控制（PTC）技术。Ding（Ding et al., 2016）发现粗糙条带将能量转换效率提高了37%。后续工作研究了附件角度、形状和厚度，以及特殊设计，如Y形条带（Wang et al., 2019）和鳍状条带（Ding et al., 2020）。混合钝体也可以增强VIV-驰振相互作用。例如，将两个圆柱段与一个长方体段结合使用产生了耦合效应（Wang et al., 2022a）。长方体的长度使均方根电压提高了8.81 V，并将启动流速降低了1.8 m/s。尽管能量采集性能有所提高，但启动流速仍取决于质量和阻尼比（Bernitsas et al., 2008a）。因此，仅通过形状优化无法进一步降低启动流速。

为了进一步提高能量采集性能，特别是降低启动流速，研究人员尝试应用流场调制技术，主要集中在在FIVEH前后放置各种干扰体/板来局部调节流场（Yang et al., 2012）。局部调制会影响尾流中的压力分布，并改变涡脱落的强度和模式。Afsharfard et al.（2025）通过在钝体上游和下游添加干扰柱，将单个单元的功率系数（Cp）提高了24%。Yan et al.（2020, 2021）通过实施干扰措施，在10 m/s流速下将最大平均功率提高了0.169 W。基于此，Zhang et al.（2019）优化了干扰圆柱体的形状和位置，将平均功率提高了803.4 mW，但启动流速仍高达1.5 m/s。这些研究主要关注局部流场调制，对降低启动流速的改进有限（Yang et al., 2012; Afsharfard et al., 2025; Yan et al., 2020, 2021; Zhang et al., 2019）。相比之下，全局流场调制使用封闭罩或几何通道来重新分配压力和流速。这种策略可以在较低流速下触发结构振动。在这些方法中，壁面诱导的阻塞效应受到了早期关注。适度的阻塞会增加涡脱落频率，并使振动响应向较低的入口流速偏移，帮助系统在较低的启动流速下达到有效振动状态（Soti et al., 2020）。然而，过度阻塞会导致显著的压降。另一种全局调制方法是文丘里加速效应，通过节流来加速流体。该方法已广泛应用于涡轮机（Bernitsas et al., 2008b; Alonso-et al., 2019; Frankovi? and Vrsalovi?, 2001）和纳米发电机（Zhu et al., 2022）。例如，扩散器增强设计可以将流速提高1.5-2倍，从而降低启动流速。在FIVEH应用中，Liang et al.（2023）布置了一组湍流柱，与无柱条件相比，功率密度提高了144.6倍。然而，这种大型阵列难以安装和制造，且其加速效果难以控制，表明需要更高效的策略。提出了多种文丘里加速器配置，包括圆锥形、截断形、收敛管形（Bernitsas et al., 2008b）、扩散器增强型（Alonso-et al., 2019）和喷嘴增强型设计（Frankovi? and Vrsalovi?, 2001）。所有这些配置都显示出降低启动流速和改善系统性能的潜力。将适度的壁面诱导阻塞与文丘里效应相结合可以进一步加速低速流体并提高能量采集效果。由于流体-结构耦合的复杂性，设计有效的加速罩仍然具有挑战性。罩必须确保稳定的加速、平滑的压力梯度以及钝体的正确放置。此外，将文丘里加速效应与钝体优化相结合以实现协同增强，以及理解其背后的机制，至关重要。

本文设计了一种基于收敛加速效应的集成流致振动能量采集器。该设备结合了收敛加速罩和能量采集钝体，命名为基于收敛加速的能量采集器（CAEH）。通过风洞实验确定了加速罩的轮廓以及弹性安装钝体的最佳形状和位置。还通过CFD仿真揭示了CAEH的流场调制机制。

部分摘录

概念设计与验证

新的能量采集器基于收敛加速效应设计，如图1(a)所示。当气流进入CAEH时，加速罩加快了流体的速度，然后流体流过钝体并引发振动，如图1(b)所示。为了实现最佳性能，必须设计加速罩的轮廓以确保流场稳定，同时需要优化钝体形状以最大化电压输出。

不同钝体在各种位置上的性能比较

前一节表明，收敛加速效应可以提高CAEH的电压输出并降低启动流速。为了进一步提高CAEH的性能，本节比较了不同钝体的性能，以确定CAEH的最佳配置。

数值方法与验证

本研究通过求解Fluent中的非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方程和k-ω SST湍流模型，数值模拟了钝体的振动响应。使用的二维流致振动仿真方法有效捕捉了流致振动的主要特征和动态行为，同时实现了高计算效率和准确性。

结论

本文提出了一种基于收敛加速效应的新型流致振动能量采集器，并从研究中得出了几个有意义的结论：

具有1.67收缩比的五次曲线加速器将涡流诱导振动的启动流速降低了62.3%。

基于收敛加速效应的压电能量采集器可以有效降低VIV的启动流速并提高系统的输出性能。

作者贡献声明

孙洪军：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。杨泽尧：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、数据整理。李金霞：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、形式分析。杨振：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62373270、52276159）、天津市自然科学基金（项目编号：23JCQNJC00060）和天津市教育委员会研究计划项目（项目编号：2022KJ065）的支持。