一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法

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1.本发明属于风力发电与桥梁风工程技术领域，特别是涉及一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法。

背景技术：

2.大跨度桥梁是交通运输的核心，大跨度桥梁扮演着重要角的同时的需求也越来越多，为了减轻自重，大跨度桥梁的结构趋于细长、轻柔，使得桥梁结构在较低的风速下就可能会发生风致自激振动，风致振动的形成机理也越来越复杂，因此大跨度桥梁结构，尤其是悬索桥、斜拉桥，抗风稳定性成为了桥梁运营期间重要的控制因素之一。涡振为限幅振动，这种振动幅度不是很大，但会导致桥面行车不平顺、桥梁结构疲劳，降低桥梁使用寿命。
3.对于桥梁主梁的涡激振动控制方法可以分为气动外形措施和结构措施。过改变结构的气动外形能优化结构的涡振性能，对结构添加中央分隔板、导流板、翼板等附属结构改变主梁的气动外型，从而影响原始的绕流场状态实现涡振控制；此外，通过结构措施能够控制大跨度桥梁的涡激振动，常用的方法包含调谐质量阻尼器tmd、电涡流阻尼器和黏弹性阻尼器等，对结构实现内部能量消耗从而实现振幅降低的目标。
4.桥梁是一种用于跨越障碍的结构物，结构周围风场开阔，传统的涡振控制方法是减小流场对结构的能量输入或将能量通过阻尼器耗散实现涡激振动的幅值控制。但是风能难以利用，桥面的流场的能量输送基本源自来流风场的风能输运，大跨度桥梁依靠阻尼器直接将能量耗散没能实现风场的能量利用。

技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有的技术问题，提出了一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法。本发明所述方法既可以对桥面的涡激振动幅值实现控制，又可以利用来流风场提供的风能实现风力发电。
6.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法，通过在桥面布置不同间距与不同类型的垂直风力发电机实现桥梁涡激振动的控制与风力发电；所述方法具体包括：
7.步骤一、计算桥面垂直风力发电机涡振锁定区间内结构折算参数；
8.步骤二、根据折算参数确定桥面垂直风力发电机布置方案：沿全桥侧布置垂直风力发电机，对桥面两侧垂直风力发电机对称或交错布置；
9.步骤三、主梁涡激振动控制与垂直风力发电机发电：将垂直风力发电机组安置于桥面，测定桥梁自振频率与涡振锁定区间，由等间距布置的垂直风力发电机实现桥面涡激振动耗能与能量利用。
10.进一步地，在计算折算参数时采用标准垂直风力发电机或独立设计垂直风力发电机。
11.进一步地，所述步骤一具体为：首先确定风力发电机尺寸，确定风力发电机全高h、
风力发电机宽度d、单叶片高度h和单叶片宽度d；其次，计算风力发电机发电效率、计算风场折算风速v与风力发电机折算面积s；最后计算桥面在不同来流风速下的风力发电机发电能力e。
12.进一步地，根据步骤一的风力发电机宽度d确定桥面布置间距l；若交错布置则交错距离为b。
13.进一步地，桥面两侧风力发电机垂直间距参考桥梁宽度，同侧间距为l。
14.进一步地，在步骤一中，风力发电效率折算方程如式(1)-(4)所示：
[0015][0016][0017][0018]
s＝cn×n×h×dꢀꢀꢀ
(4)
[0019]
在标准公式(1)中e为风力发电机发电量；c
p
为风能利用系数，s为结构的叶片面积；t为年发电时间，将公式(1)转化为简化风力发电机发电公式(2)，风速v为涡振锁定区间内的起振风速与脱离风速均值。
[0020]
进一步地，所述间距l不小于2d。
[0021]
进一步地，所述间距l取值为3d。
[0022]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法的步骤。
[0023]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法的步骤。
[0024]
本发明的有益效果为：
[0025]
本发明针对传统桥梁涡激振动控制方法存在的主要不足，桥梁主梁无法利用来流风场能量，通过改变结构气动外形降低能量输入或通过添加阻尼器对结构进行能量耗散能够实现涡激振动的振幅控制，但是传统方法无法直接获取风场中的风能，并且阻尼器对桥梁结构在涡激振动控制上的作用不易量化评估。因此，考虑上述问题，将垂直风力发电机作为桥面附属结构，对桥面来流实现风能收集，通过桥面均布垂直风力发电机，控制流场内的大涡出现并将流场涡旋破碎，实现桥面漩涡脱落形态，实现主梁的涡激振动振幅控制。对于垂直风力发电机，涡振风速锁定区间稳定，对于发电能力计算简化为锁定区间内平均风速，但是流场形态不同，对发电效率产生影响，添加风场折算系数减小实际叶片发电面积；垂直风力发电机的布置间隔l与风力发电机全宽d相关，在发电效率上通过控制l实现多组风力发电机效率最大化，l不应小于2d，并且在3d以上维持稳定发电效率，对桥面两侧风机可以采取对称布置达到桥面美观效果，同时可以通过错位间距b调整前缘风场对后缘风场的影响。垂直风力发电机在桥面均布实现了桥面风能利用与大跨度桥梁涡激振动幅值控制。
附图说明
[0026]
图1为垂直风力机涡激振动控制与发电方法流程框图；
[0027]
图2为标准垂直风力发电机示意图；
[0028]
图3为桥面布置示意图；
[0029]
图4为风力机桥面等距布置实物图；
[0030]
图5为结构振动自由衰减时程与主频曲线图；
[0031]
图6为裸桥面位移时程曲线图；
[0032]
图7为垂直风力机对涡激振动振幅控制位移时程曲线图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
实施例一：
[0035]
本发明提出一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法，通过在桥面布置不同间距与不同类型的垂直风力发电机实现桥梁涡激振动的控制与风力发电；所述方法具体包括：
[0036]
步骤一、计算桥面垂直风力发电机涡振锁定区间内结构折算参数；在计算折算参数时采用标准垂直风力发电机或独立设计垂直风力发电机。所述步骤一具体为：首先确定风力发电机尺寸，桥梁主梁涡激振动受外形影响明显，考虑风力发电机布置对流场的影响需要对结构参数进行校正折算，需要确定风力发电机全高h、风力发电机宽度d、单叶片高度h和单叶片宽度d；其次，计算风力发电机发电效率、计算风场折算风速v与风力发电机折算面积s；最后计算桥面在不同来流风速下的风力发电机发电能力e。
[0037]
在步骤一中，风力发电机涡振锁定区间发电能力计算方法具体为：风力发电效率折算方程如式(1)-(4)所示：
[0038][0039][0040][0041]
s＝cn×n×h×dꢀꢀꢀ
(4)
[0042]
在标准公式(1)中e为风力发电机发电量；c
p
为风能利用系数，s为结构的叶片面积；t为年发电时间，将公式(1)转化为简化风力发电机发电公式(2)，风速v为涡振锁定区间内的起振风速与脱离风速均值。
[0043]
在标准公式(1)中e为风力发电机发电量；c
p
为风能利用系数，理论转化上限为59.3％，标准工程风力机效率在20％～40％；s为结构的叶片面积；t为年发电时间，但是设置风力发电机的同时目的在于控制桥梁涡激振动幅值，所以将公式转化为仅计算涡振锁定
prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0055]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0056]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0057]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0058]
以上对本发明所提出的一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方
法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法，其特征在于，通过在桥面布置不同间距与不同类型的垂直风力发电机实现桥梁涡激振动的控制与风力发电；所述方法具体包括：步骤一、计算桥面垂直风力发电机涡振锁定区间内结构折算参数；步骤二、根据折算参数确定桥面垂直风力发电机布置方案：沿全桥侧布置垂直风力发电机，对桥面两侧垂直风力发电机对称或交错布置；步骤三、主梁涡激振动控制与垂直风力发电机发电：将垂直风力发电机组安置于桥面，测定桥梁自振频率与涡振锁定区间，由等间距布置的垂直风力发电机实现桥面涡激振动耗能与能量利用。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算折算参数时采用标准垂直风力发电机或独立设计垂直风力发电机。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：首先确定风力发电机尺寸，确定风力发电机全高h、风力发电机宽度d、单叶片高度h和单叶片宽度d；其次，计算风力发电机发电效率、计算风场折算风速v与风力发电机折算面积s；最后计算桥面在不同来流风速下的风力发电机发电能力e。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据步骤一的风力发电机宽度d确定桥面布置间距l；若交错布置则交错距离为b。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，桥面两侧风力发电机垂直间距参考桥梁宽度，同侧间距为l。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤一中，风力发电效率折算方程如式(1)-(4)所示：(4)所示：(4)所示：s＝c
n
×
n
×
h
×
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)在标准公式(1)中e为风力发电机发电量；c
p
为风能利用系数，s为结构的叶片面积；t为年发电时间，将公式(1)转化为简化风力发电机发电公式(2)，风速v为涡振锁定区间内的起振风速与脱离风速均值。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述间距l不小于2d。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述间距l取值为3d。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。

技术总结

本发明提出一种基于垂直风力发电机的桥梁涡激振动发电与控制方法。所述方法通过在桥面布置不同间距与不同类型的垂直风力发电机实现桥梁涡激振动的控制与风力发电；所述方法具体包括：步骤一、计算桥面垂直风力发电机涡振锁定区间内结构折算参数；步骤二、根据折算参数确定桥面垂直风力发电机布置方案：沿全桥侧布置垂直风力发电机，对桥面两侧垂直风力发电机对称或交错布置；步骤三、主梁涡激振动控制与垂直风力发电机发电。本发明所述垂直风力发电机在桥面均布实现了桥面风能利用与大跨度桥梁涡激振动幅值控制，同时利用来流风场提供的风能实现风力发电。供的风能实现风力发电。供的风能实现风力发电。