流致振动水生清洁能源装置的发展前景和关键问题_白旭.pdf

N4 1977 年在麻省理工学院获得硕士学位，1980 年获得博士学位。美国机械工程师学会（ASME）和美国舰船工程师协会（SNAME）终身研究员。主要从事海洋工程领域的研究，致力于流致振动（Flow Induced Vibration，FIV）、涡激振动（Vortex Induced Vibration）和驰振（Galloping）研究，使用鱼类生物模拟物协同多圆柱振子流致振动研究，并通过使用 VIVACE 转换器增强流致振动来利用水动能研究；提出了海洋立管力学，揭示了受拉立管的整体屈曲力学，开发了基于分叉及其奇异性的非迭代设计方法。2003 年，被美国舰船工程师协会（SNAME）授予布莱克利 史密斯奖章（Blakely-Smith Medal）。是涡激水力发电（Vortex Hydro Power）的创始人和首席技术官，致力于涡激振动水生清洁能源（Vortex Induced Vibrations for Aquatic Clean Energy VIVACE）技术的商业化，持有 10 余项与 VIVACE有关的专利。Michael M.Bernitsas 教授 美国密歇根大学海洋可再生能源实验室主任海流能以规模庞大、分布广泛、蕴含量丰富等优势备受关注，在海洋能的利用与开发中占有重要地位。我国沿海海流理论平均功率达 1.4107 kW，是全球海流资源密度最高的国家之一，具有良好的开发前景。流致振动是一种流体流经结构时与结构相互作用的现象，广泛存在于各类工程领域中，通常因其破坏性在工程应用中被抑制。与常见的抑制流致振动的研究不同，美国密西根大学海洋可再生能源实验室（Marine Renewable Energy Laboratory,MRELab）的 BERNITSAS 教 授提出了一种将流致振动与发电技术相结合，利用交替升力进行捕能的新型海流能发电装置，并在全球范围内掀起了基于流致振动的海流能发电技术研究热潮。此次，BERNITSAS 教授受邀分享在基于流致振动的海流能发电技术研究中其装置效率和功率的稳定性，商业化前景等关键问题和发展建议。流致振动水生清洁能源装置的发展前景和关键问题白 旭白旭男，副教授，博士生导师，江苏科技大学结构力学研究所副所长，中国造船工程学会首届优秀科创人才，江苏省“333”第三层次人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象，江苏科技大学深蓝领军人才，江苏省科技咨询专家，主要从事海洋可再生能源、船舶与海洋工程可靠性及风险评估、极地装备结冰预报与安全性分析等相关领域的研究。N5 人物专访QA近年来，从流致振动捕获能量成为海洋可再生能源产业关注的焦点。请您谈谈流致振动捕能与传统技术获能如潮汐式水轮机的区别和优势。In recent years,the energy from flow-induced vibration has become the focus of the marine renewable energy industry.Please talk about the differences and advantages between FIV energy and traditional technologies,such as tidal turbines.对比流致振动能源和传统技术获能两种技术的区别和优势，可以从宏观上看，人类的长远目标是可持续的能源供应。可持续性包括 2 个方面：一是清洁的可再生能源，二是具备环境兼容技术。海流、潮汐以及河流中的水平海洋水动力（MHK）能源都是清洁可再生能源，此外一项技术如果考虑人类和生态系统的权利，则认为其具备环境兼容性。我们在共享空间的同时，也需要保护我们的环境。当然，每种技术都有优势和劣势，可以根据不同的可持续性、流动速度、位置和应用规模等因素找到自己合适的位置。我们可以从以下几个例子思考。海洋中绝大多数海流的流速小于1.5 m/s，河流的流速一般小于 1.0 m/s。涡轮机启动流速最低为 2.0 m/s，最合适的平均流速为2.5 m/s 3.5 m/s，而流动诱导的振荡/振动（FIO/V）在 0.2 m/s 流 速 情 况 下 就 可 以开始能量利用，并且没有上限。另一方面，在高流速且没有环境湍流的情况下，涡轮机具有高升阻比的优势，从而降低了对支撑的作用力。对于涡激振动水生清洁能源装置（VIVACE）来说，我们正在开发一个在能量利用方面没有损失的系统来补偿高速流动中的阻力。当然，在近海岸或者存在濒临灭绝的物种的海域附近，VIVACE 是一个可行的解决方案。其易于被海岸和河流附近的社区接受，并且会定期收到部署邀请。VIVACE 部件的运动速度相较于安全流速（针对人和鱼类）仅仅快了 20%40%，鱼类可以在其涡尾流中茁壮成长。在这种缓慢的运动中，没有水动力噪声，因此不会存在气穴问题。在通常情况下，高速流动的环境湍流显著并且会影响升力面的攻角，进而引起升阻比的大幅下降。然而，基于新设计的圆柱截面，我们发现 VIVACE 圆柱在高湍流度下运行完好。To assess and compare technologies,we need to look at the bigger picture.The long-term objective of mankind is sustainable energy supply.Sustainability has two aspects,a clean and renewable energy source,and an environmentally compatible technology.Horizontal marine hydrokinetic(MHK)energy in ocean currents,tides and rivers is a clean and renewable energy source.A technology is environmentally compatible if it respects the rights of people and the ecosystem.We must share space and safeguard our environment.Each technology has advantages and disadvantages and can have its own niche depending on factors such as sustainability,flow speed,location,and scale of application.Lets consider a few examples.The vast majority of currents are slower than 1.5 m/s and rivers are typically slower than 1.0 m/s.Turbines require a minimum flow speed of 2.0 m/s and preferably an average of 2.5 m/s 3.5 m/s.Flow Induced Oscillations/Vibrations(FIO/V)start harnessing energy at 0.2 m/s with no upper limit.On the other hand,at high flow speeds,if there is no ambient turbulence,turbines have the advantage of high lift to drag ratio and thus lower force on the supports.For VIVACE,we are developing a system to compensate for the drag in high-speed flows with no loss in energy harnessing.Near shore,or in the proximity of endangered species I would say that VIVACE is a viable solution.It is well accepted by communities near coasts and rivers and regularly receives invitations for deployment.Its parts move only 20%40%faster than the flow presenting no danger to people or fish.Furthermore,fish thrive in its vortical wake.There is no hydrodynamic noise as cavitation is not an issue at such slow motions.Frequently,in high-speed flows,ambient turbulence is significant and affects the angle of attack on lifting surfaces,which in turn causes large drop in the lift-to-drag ratio.VIVACE cylinders operate flawlessly in high turbulence based on the newly designed cylinder cross-section.N6 QA由您和 MRELab 课题组共同发明并申请专利的 VIVACE 在当前利用流致振动能源中具有标志性意义。请您谈谈该装置的优缺点，该装置的发电量和效率如何？能否在海上应用中进行销售？The VIVACE invented and patented by you and the MRELab research group,is iconic in the current FIV energy.Could you talk about the advantage and disadvantages of the device?How about power generation and efficiency?Can it be saleable in offshore applications?VIVACE 装置的优点不仅仅在于可在流速低至 0.2 m/s 的水流中工作，还包括组件简单、能够为鱼类提供庇护、噪声低、部件运动缓慢、能在湍流中高效工作、功率密度高、可扩展性强、被社区接受、模块化部署和检索、控制简单等优点。这些优点来自VIVACE 的物理机制，因为其是交替升降运动的，而不是稳定的升降运动，运动过程类似于鱼的游动。当然，我认为 VIVACE 存在的唯一缺点就是阻力大，这是环境兼容性的物理机制所固有的。从水动力学方面来说，如果要实现一种能够在湍流环境中运行的环境友好型技术，而不是像鱼类那样使用复杂的传感和运动学，这将是不可避免的。正如我前面提到的，对于 VIVACE，我们正在开发一个在能量利用方面没有损失的系统来补偿高速流动中的阻力。VIVACE 的功率取决于尺寸以及最重要的因素流速。但由于涡激振动、驰振的共存，以及圆柱之间的协同作用等潜在现象的可扩展性，VIVACE 的功率可以说是没有上限的。在很广的速度范围内，四圆柱的水动力效率可以达到贝茨极限的 88%，其中的其他能量损失来自传动中的摩擦。关于销售能力，我认为 VIVACE 是最适合为海洋观测与导航、近海海水养殖、海水淡化等蓝色经济的全部8个领域供电的装置，其市场发展前景十分广阔。Operating in flows as slow a