摘要

流致振动现象是典型的流固耦合现象，其在空气动力学、水动力学及海洋动力学中均有涉及。近年来，随着流致振动发电设备的不断涌现，学术界又掀起了新一轮的流致振动研究浪潮。目前，有关流致振动发电的研究内容纷繁多样，并未形成系统的研究体系，因此有必要对流致振动能量利用现状及存在的问题进行系统的整理与分析。首先，本文详细梳理了圆柱绕流及非圆柱绕流的流致振动研究现状，指明了流致振动能量汲取在海流及风能利用上的巨大[1]潜力；随后，基于现有的研究成果介绍了近几十年来主要的流致振动发电设备的种类、工作原理及应用现状；然后，基于现有的流致振动发电理念全面阐述了流致振动能量转化的研究现状，并剖析了研究当中存在的各类问题；最后，对流致振动能量利用的研究方向提出了建议。

关键词

流致振动；涡激振动；驰振；能量利用

Development and prospect of study on the energy harness of flow-induced motion

LIAN Jijian, YAN Xiang, LIU Fang

(State Key Laboratory Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin 300072, China)

Flow-induced motion (FIM) is a typical fluid structure interaction (FSI) phenomenon, which is involved in aerodynamics, hydrodynamics and ocean dynamics. Recently, as the lots of FIM power convertors continuous emerged, the studies on FIM rapidly became the focus. Until now, there were lots of unsystematic directions in the research of FIM and its energy conversion. Thus, it is necessary to systematically analyze and discuss the situation and the problems in this research field. To this end, four parts were summarized and discussed in this study. At first, the current situation of the studies on the FIM for circular and non-circular cylinders was summarized. It indicated that capturing the energy from FIM greatly benefits to the energy utilization in current and wind. Then, the types, working principles and applications of the main FIM power convertors proposed in recent decades were introduced. Then, based on the theories of FIM, the research statuses of FIM energy conversion were introduced and analyzed, and the problems in the studies were discussed. At last, some suggestions were proposed to benefit the future studies in FIM energy conversions.

Key words

Flow-induced motion；Vortex-induced vibration；Galloping；Energy conversion

基金项目： 国家重点研发计划（2016YFC0401900）

流致振动（Flow-induced Motion, FIM）是指流体流经固体时会对固体表面施加交替相间的流体力，使得固体发生往复运动，而固体的往复运动又改变流体流态，进而改变作用于固体表面的流体力，这种流体与固体相互作用的现象被称为流致振动[1]。流致振动现象广泛地存在于空气动力、水动力及海洋动力等相关的工程领域当中，其对工程结构物具有巨大的破坏作用，高耸建筑物[2]、海洋结构物[3]、大跨柔性结构物[4]等结构物的疲劳破坏，多是由于流致振动的原因造成的。由于流致振动对工程的强大破坏力，使得其在工程领域当中具有相当可观的研究价值。

在流致振动现象的研究初始阶段，学者们大多关心流致振动现象的预测方法与抑制手段，从而可有效保证结构物的安全稳定[1-4]。近30年来，随着电子技术领域及海洋能源领域的飞速发展，人们发现流致振动当中所蕴含的能量可通过某些设备有效利用，且该类能量的利用前景十分良好。从此，各种流致振动能量转换设备不断涌现，且流致振动的研究方向也逐渐由抑制振动逐渐发展为加强振动。目前，流致振动获能的主要方式包括两种，压电式[5]与电磁式[6]。上述两种获能方式的获能原理与供电目标差异较大。压电式采用压电材料，一般可作为传感器、微电子设备及微型医疗设备的电能来源；而电磁式则基于切割磁感线这一基本原理，利用振子的运动实现流场的能量获取，能量的利用能力一般较高。

现阶段，流致振动发电的研究还并未形成完整的理论体系。为此，本文较为全面的整理了流致振动的研究现状，系统梳理了现有流致振动发电设备的主要种类、基本原理及应用情况，并提出了未来流致振动获能研究的主要内容。本文的目的在于为后续流致振动发电设备的研发及能量汲取的研究提供良好的参考。

1

流致振动的研究现状

流致振动中比较典型的且拥有能量利用先例的两种现象为涡激振动（Vortex Induced Vibration, VIV）与驰振（Galloping）。涡激振动的研究内容较为系统，但研究主要针对圆柱绕流；驰振则一般出现在非圆柱截面的钝体绕流中，其激发条件很可能是涡激振动。为了较为全面的分析流致振动的研究现状，本节将分别从圆柱绕流与非圆柱绕流两个方面进行梳理与总结。

1.1

圆柱绕流涡激振动

涡激振动是流致振动研究内容开展最为完善的研究方向。该现象是由于流体粘性作用使得其在绕流柱体后侧产生了交替脱落的漩涡，从而引起了柱体横向的往复运动[1]，比较经典的当属圆柱结构的涡激振动现象。涡激振动是一个双向耦合的复杂问题，其具有非线性、自激性、自限性等多个特点[7]。当流速处于共振区间（锁定区间）范围内，振动频率基本与自振频率相当，振幅较大，可获取的振动能量较大；当流速处于锁定区间范围外时，振动失谐，振动频率基本等于斯特罗哈尔频率（固定圆柱的脱涡频率），振幅很小，可获取的振动能量很小。从15世纪中期，达芬奇首次发现了涡激振动现象后，学者们纷纷投入到涡激振动的相关研究工作当中。

01

早期，由于受制于计算机技术的发展，涡激振动问题主要通过理论推导与试验验证的方法进行研究，试验的手段包括自由振动与强迫振动两种。1968年，Feng[8]开创性的通过风洞试验方法掌握了弹性支撑的刚性圆柱的振幅、频率、升力系数及相位差等基本响应规律，并运用折合流速U*=U/(fn·D)（U为真实流速，fn为振动系统的自振频率，D为圆柱截面直径）预测了涡激振动的非线性共振区间，即锁定区间（Lock-in或Synchronization Region）。根据Feng的研究结果，圆柱涡激振动随流速的响应可分为两个分支：初始分支（Initial Branch）和下部分支（Lower Branch），最大振幅比为A*=A/D=0.56，如图1所示。在锁定区间内，振动频率、自振频率及脱涡频率基本保持一致。随后二十年中，更多研究者诸如Griffin与Ramberg[9]、Bearman[10]、Sarpkaya[11]、More与Wu[12]、Gopalkrishnan[13]等人都进行了类似的试验。其中，Sarpkaya[11]提出了预测振幅与频率响应的半经验公式，而Griffin[9]则揭示了影响涡激振动响应的综合参数为质量阻尼比，m*ζ或者(m*+Ca)ζ（m*为质量比，ζ为阻尼比，Ca为附加质量系数），且绘制了的Griffin-Skop曲线。

02

不过，随着海洋工程的不断发展，人们发现水中的涡激振动现象与风洞试验结论上存在一定差异。为此，20世纪90年代，Khalak与Williamson[14-18]等学者通过大量的理论分析与试验验证揭示了上述差异的根本原因。其研究结论指出，若圆柱在水流中发生涡激振动现象，则由于其质量比偏低的原因（Feng[8]试验在空气中进行，质量比m*=248；而Khalak与Williamson在水中进行，质量比m*=10.1），所获得的涡激振动随流速的响应分支会从两个增加到了三个，分别为：初始分支（Initial Branch）、上部分支（Upper Branch）和下部分支（Lower Branch），如图1所示。响应中，最大振幅比达到了A*=0.9，且出现在上部分支。振动的锁定区间范围明显扩大。进一步，在Williamson[16]的研究当中发现，质量阻尼比m*ζ决定了圆柱涡激振动最大振幅，但质量比m*却决定了非线性共振区间的范围及频率的锁定能力。质量比m*越大，对应共振区间越大，但锁频能力却越弱。

图1 Feng[8]和Khalak等[20]得出的振幅比变化规律

Fig.1 The variations of amplitude ratios in Feng’s results[8] and Khalak’s results[20]

03

随着工业技术的进一步发展，人们发现雷诺数的变化会显著影响涡激振动的响应特性。Khalak和Williamson[18]发现在雷诺数在5×103