一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法

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1.本发明涉及一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，属于涡激振动俘能技术领域。

背景技术：

2.碳达峰碳中和目标愿景要求中国建立健全的绿低碳循环发展经济体系。而实现碳达峰碳中和目标愿景，发展清洁可再生能源是重中之重。基于涡激振动驱动俘获低速海流能或河流能成为清洁能源利用的一种新选择。目前，对圆柱体的涡激振动进行了大量的实验和数值研究，但大多数研究集中在抑制二维圆柱涡激振动响应，减少工程破坏，真实低速海流环境下的三维涡激振动俘能研究很少，且基于熵理论对涡激振动进行能量捕捉及能量损失分析目前还未有研究者涉及。现在确定最优工况方法只是从俘能结构振幅大小这方面来确定，但此方法不够精确。为了更快地和更精准地获取涡激振动低速水流俘能结构运行的最优工况参数，本发明从熵理论分析的角度出发，提出一种涡激振动低速水流俘能结构优化设计方法。

技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法。在圆柱的涡激振动过程中，由于工作介质中的粘度和产生的雷诺应力，机械能被不可逆地转化为了内能。基于热力学第二定律，将熵理论分析结合流体力学和传热理论来计算实际的能量损失，可准确测量和捕捉能量损失，通过判定圆柱体涡激振动不同工况下的总熵能量损失，确定总熵能量损失最小的为最佳工况，此工况中圆柱体涡激振动低速水流能俘能的俘能效率最高。
4.本发明通过以下技术方案实现。
5.一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，其具体步骤包括：
6.(1)确定圆柱体涡激振动低速水流能俘能的工况范围
7.根据下列公式确定圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度ur的范围：
8.公式中re为雷诺数，v为流体的粘滞系数，d为圆柱体直径；
9.公式中d为圆柱体直径，fn为固有频率、俘能结构在水中的固有频率fn＝1.46hz；
10.通过公式，确定得到
11.0.7m/s≤u≤1.4m/s；
12.同时5≤ur≤10下的不同工况下圆柱体涡激振动低速水流能俘能的范围；
13.(2)建立俘能结构的模型
14.根据圆柱体的圆柱体直径d、质量比m
*
和质量阻尼比m
*
ζ，建立俘能结构的模型；
15.(3)通过步骤(2)建立俘能结构的模型，确定俘能结构流场内的流体分布信息以及熵理论分析；
16.(3.1)流体分布信息
17.根据方程获得流体分布信息，式中xi为x方向的笛卡尔坐标系，xj为y方向的笛卡尔坐标系，和为对应的i方向速度分量和速度变化，和为对应的j方向速度分量和速度变化，t为时间，p为压力，ρ和μ为流体的密度和动力粘度；
18.(3.2)熵理论分析
19.由以下公式计算俘能结构的能量损失熵产分布情况：
[0020][0021][0022]
μ
eff
为有效动力粘度，计算公式为
[0023]
μ
eff
＝μ+μ
t
[0024]
式中，μ表示层流动态粘度；μ
t
表示湍流动态粘度；为平均速度在x、y、z方向上的分量；x1、x2、x3为x、y、z方向；t为温度；
[0025]
由速度波动引起的局部产生熵计算公式如下：
[0026][0027]
式中β＝0.09为经验常数；ρ为流体密度；ω为湍动能耗散率；k为湍流强度；t为温度；
[0028]
因此，在整个流域内集成lepr可以获得总的产生熵，表达方式如下：
[0029][0030][0031][0032]
其中v为整个流域；
[0033]
(4)俘能最佳工况
[0034]
将步骤(1)确定得到的圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度ur范围通过步骤(3.2)计算得到不同上端分支中实验流速u和约化速度ur下对应的总熵，总熵最小即能量损失熵产最小的约化速度ur为俘能最佳工况，此最佳工况下涡激振动低速水流能俘能的俘能效率最高。
[0035]
所述步骤(2)中圆柱体直径d＝0.1m，长l＝0.5m，质量比m
*
＝2.4，质量阻尼比m
*
ζ＝0.013。
[0036]
本发明的有益效果是：
[0037]
本发明采用能量损失熵产的方法，通过该方法俘能结构在运行过程中的熵产损失，使俘能结构可以更加快速的确定最优工况，本方法相较现有方法具有更快和更精准的优点。
附图说明
[0038]
图1是本发明实施例1俘能结构的三维建模后示意图；
[0039]
图2是本发明实施例1获得的流场仿真模拟后的俘能结构流场分布图；
[0040]
图3是本发明实施例1俘能结果在不同约化速度内的俘能效率曲线图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
[0042]
实施例1
[0043]
该基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，其具体步骤包括：
[0044]
(1)确定圆柱体涡激振动低速水流能俘能的工况范围
[0045]
根据下列公式确定圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度ur的范围：
[0046]
公式中re为雷诺数，v为流体的粘滞系数，d为圆柱体直径；
[0047]
公式中d为圆柱体直径，fn为固有频率、俘能结构在水中的固有频率fn＝1.46hz；
[0048]
通过公式，确定得到
[0049]
0.7m/s≤u≤1.4m/s；
[0050]
同时5≤ur≤10下的不同工况下圆柱体涡激振动低速水流能俘能的范围；
[0051]
(2)建立俘能结构的模型
[0052]
根据圆柱体的圆柱体直径d、质量比m
*
和质量阻尼比m
*
ζ，建立俘能结构的模型；圆柱体直径d＝0.1m，长l＝0.5m，质量比m
*
＝2.4，质量阻尼比m
*
ζ＝0.013；俘能结构的三维建模后示意图如图1所示；
[0053]
(3)通过步骤(2)建立俘能结构的模型，将三维模型导入到流体动力学计算软件ansys fluent中进行仿真计算，确定俘能结构流场内的流体分布信息以及熵理论分析；
[0054]
(3.1)流体分布信息
[0055]
根据方程获得流体分布信息，式中xi为x方向的笛卡尔坐标系，xj为y方向的笛卡尔坐标系，和为对应的i方向速度分量和速度变化，和为对应的j方向速度分量和速度变化，t为时间，p为压力，ρ和μ为流体的密度和动力粘度；本实施例流体分布信息图如图2所示，从图2中可以看出流场仿真模拟后的俘能结构流场分布的具体情况，在俘能结构表面和周围有比较大的粘性熵损耗，在尾涡部分有较大的
湍流熵损耗。
[0056]
(3.2)熵理论分析
[0057]
由以下公式计算俘能结构的能量损失熵产分布情况：
[0058][0059][0060]
μ
eff
为有效动力粘度，计算公式为
[0061]
μ
eff
＝μ+μ
t
[0062]
式中，μ表示层流动态粘度；μ
t
表示湍流动态粘度；为平均速度在x、y、z方向上的分量；x1、x2、x3为x、y、z方向；t为温度；
[0063]
由速度波动引起的局部产生熵计算公式如下：
[0064][0065]
式中β＝0.09为经验常数；ρ为流体密度；ω为湍动能耗散率；k为湍流强度；t为温度；
[0066]
因此，在整个流域内集成lepr可以获得总的产生熵，表达方式如下：
[0067][0068][0069][0070]
其中v为整个流域；
[0071]
(4)俘能最佳工况
[0072]
将步骤(1)确定得到的圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度ur范围通过步骤(3.2)计算得到不同上端分支中实验流速u和约化速度ur下对应的总的产生熵，总的产生熵最小即能量损失熵产最小的实验流速u和约化速度ur为俘能最佳工况，此最佳工况下涡激振动低速水流能俘能的俘能效率最高。
[0073]
不同上端分支中实验流速u和约化速度ur下对应的总熵如表1所示。
[0074]
表1
[0075]
组号来流速度u/m/s约化速度ur熵产损失/w10.7568002120.84619203530.987250273241.1284160324512.696501926361.41010027351
[0076]
从表1中直接可以看出当约化速度ur＝6，来流速度u＝0.84m/s涡激振动低速水流能俘能的俘能效率最高，也就是说当约化速度ur＝6，来流速度u＝0.84m/s为俘能最佳工况，此时俘能效率最高。
[0077]
通过公式：来计算俘能结构的俘能效率，其中η
viv
为能量转换效率，ρw为流体密度，u为来流速度，d为俘能结构的圆柱直径，l为俘能结构的圆柱长度；计算结果如图3所示，从图3中可以直接看出，当约化速度ur＝6时，俘能效率最高，与本发明获得的结果相同，再一次验证了本发明的准确性。
[0078]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：

1.一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，其特征在于具体步骤包括：(1)确定圆柱体涡激振动低速水流能俘能的工况范围根据下列公式确定圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度u
r
的范围：公式中r
e
为雷诺数，v为流体的粘滞系数，d为圆柱体直径；公式中d为圆柱体直径，f
n
为固有频率、俘能结构在水中的固有频率f
n
＝1.46h
z
；通过公式，确定得到0.7m/s≤u≤1.4m/s；同时5≤u
r
≤10下的不同工况下圆柱体涡激振动低速水流能俘能的范围；(2)建立俘能结构的模型根据圆柱体的圆柱体直径d、质量比m
*
和质量阻尼比m
*
ζ，建立俘能结构的模型；(3)通过步骤(2)建立俘能结构的模型，确定俘能结构流场内的流体分布信息以及熵理论分析；(3.1)流体分布信息根据方程获得流体分布信息，式中x
i
为x方向的笛卡尔坐标系，x
j
为y方向的笛卡尔坐标系，和为对应的i方向速度分量和速度变化，和为对应的j方向速度分量和速度变化，t为时间，p为压力，ρ和μ为流体的密度和动力粘度；(3.2)熵理论分析由以下公式计算俘能结构的能量损失熵产分布情况：分布情况：μ
eff
为有效动力粘度，计算公式为μ
eff
＝μ+μ
t
式中，μ表示层流动态粘度；μ
t
表示湍流动态粘度；为平均速度在x、y、z方向上的分量；x1、x2、x3为x、y、z方向；t为温度；由速度波动引起的局部产生熵计算公式如下：式中β＝0.09为经验常数；ρ为流体密度；ω为湍动能耗散率；k为湍流强度；t为温度；因此，在整个流域内集成lepr可以获得总的产生熵，表达方式如下：因此，在整个流域内集成lepr可以获得总的产生熵，表达方式如下：
其中v为整个流域；(4)俘能最佳工况将步骤(1)确定得到的圆柱体上端分支中实验流速u和约化速度u
r
范围通过步骤(3.2)计算得到不同上端分支中实验流速u和约化速度u
r
下对应的总熵，总熵最小即能量损失熵产最小的约化速度u
r
为俘能最佳工况，此最佳工况下涡激振动低速水流能俘能的俘能效率最高。2.根据权利要求1所述的基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，其特征在于：所述步骤(2)中圆柱体直径d＝0.1m，长l＝0.5m，质量比m
*
＝2.4，质量阻尼比m
*
ζ＝0.013。

技术总结

本发明涉及一种基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，属于涡激振动俘能技术领域。该基于熵理论的圆柱体涡激振动低速水流能俘能最佳工况的分析方法，其具体步骤包括：确定圆柱体涡激振动低速水流能俘能的工况范围；建立俘能结构的模型通过建立俘能结构的模型，确定俘能结构流场内的流体分布信息以及熵理论分析；将确定得到的圆柱体上端分支中实验流速U和约化速度U