本發明專利技術公開水流?振動體?發電機動力耦合實驗模擬裝置，包括柱體，兩個多分量測力天平嵌入凹槽并固定于柱體的兩端，多分量測力天平與端板固接，兩個端板連接，端板的上端設置水平板、直線軸承；水平板下部設置壓縮彈簧，壓縮彈簧下端通過夾具與水平支撐結構連接；直線軸承套接于直線導軌；支撐框架與水平支撐結構焊接，拉繩位移傳感器設置在支撐框架的上部，拉繩位移傳感器的拉繩與水平板連接；通過數據采集與處理系統對多分量測力天平、拉繩位移傳感器、PIV粒子圖像測速儀、聲學多普勒流速儀和發電機的輸出數據進行同步采集和處理。能夠獲取流速、振動體周圍流場、振動體所受水流力、振動體的振幅與頻率、發電機輸出電壓及裝置轉換效率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水力發電
，涉及一種水流-振動體-發電機動力耦合實驗模擬裝置。
技術介紹
本世紀以來，煤炭、石油等傳統能源價格不斷上漲，國際社會對氣候變化、環境保護等問題日益關注，尋找可替代能源的需求迫在眉睫，世界各國都很重視可再生清潔能源的開發和利用。地球表面70%以上被水體覆蓋著，水體的緩慢流動蘊藏著巨大的能量。國內外存在的多種水流動力能源技術，由于自身因素的限制，都無法有效地從低流速水流中獲取能量。傳統水力發電的方法是使用水輪機，但需要至少約2m/s的流速才能發揮較好的效益。渦激振動水流發電裝置可使用較低流速提取高密度能量，能夠廣泛應用于河流、海洋、潮汐和其他水流上。渦激振動是一種自激非線性共振現象，當水流流經非流線型結構表面時會發生旋渦脫落，當旋渦脫落頻率與結構自振頻率較為接近時，旋渦脫落頻率在一個較大的流速范圍內被鎖定在結構的自振頻率附近，并使結構發生大振幅振動。渦激振動是旋渦脫落引起的結果，交互式渦旋脫落產生不對稱的振蕩升力，使結構在垂直于自身軸向的方向上振動。經過研究發現，渦激振動水流發電裝置的能量轉換功率取決于流速、振動體的振幅和頻率及升力。自20世紀以來，由于航空航天工程、海洋工程及土木工程等領域的需求，國內外很多學者對渦激振動中的流體-結構相互作用問題進行了大量研究。渦激振動水生清潔能源最早由美國密西根大學的Michael Bernitsas在2006年第25屆離岸及極地工程國際會議 “25th Internat1nal Conference on Offshore and Arctic Engineering，，上通過論文 “VIVACE (Vortex Induced Vibrat1n Aquatic Clean Energy):A NEW CONCEPT INGENERAT1N OF CLEAN AND RENEWABLE ENERGY FROM FLUID FLOW ”提出。由于建造于河流或海洋中的渦激振動水流發電裝置的能量轉換效率及可靠性是“水流-振動體-發電機”三者之間的動力耦合作用問題，其中涉及到流體力學、結構力學、電學等多種學科，目前尚未有關于“水流-振動體-發電機”三者之間的動力耦合作用實驗模擬方法的報道，僅依靠現有的實驗方法無法再現裝置的實際工作狀況，也就無法為裝置的設計和運營提供準確的實驗參考數據。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種水流-振動體-發電機動力耦合實驗模擬裝置，能夠準確地反映“水流-振動體-發電機”三者之間的動力耦合作用情況，解決了渦激振動水流發電裝置中振動體振動響應、所受流體力(包括升力和拖曳力)、振動體周圍流場及發電機輸出電壓量的同步測試，能夠獲取流速、振動體的振幅和頻率、升力、拖曳力、振動體周圍流場、發電機輸出電壓及裝置轉換效率等信息。本專利技術所采用的技術方案是，水流-振動體-發電機動力耦合實驗模擬裝置，包括設置在水槽內的柱體，柱體的兩端設置凹槽，兩個多分量測力天平嵌入凹槽并固定于柱體的兩端，多分量測力天平與端板固接，兩個端板通過角鋼緊固連接，端板的上端設置水平板、直線軸承；水平板下部設置壓縮彈簧，壓縮彈簧下端通過夾具與水平支撐結構連接，水平支撐結構固定在水槽壁的外沿；直線軸承套接于直線導軌，直線導軌固定于支撐框架；支撐框架與水平支撐結構焊接，拉繩位移傳感器設置在支撐框架的上部，拉繩位移傳感器的拉繩與水平板連接；兩個端板中的其中一塊端板安裝齒條，齒條與齒輪嚙合，齒輪與發電機的轉軸緊固連接，發電機固定于支撐框架；還包括數據采集與處理系統和計算機，多分量測力天平、拉繩位移傳感器、PIV粒子圖像測速儀、聲學多普勒流速儀、發電機分別與數據采集與處理系統的輸入端連接，PIV粒子圖像測速儀和聲學多普勒流速儀對水流流速和柱體周圍流場進行測量。進一步的，多分量測力天平通過螺栓與端板固接。進一步的，水平支撐結構通過固定夾固定在水槽壁的外沿。進一步的，水槽由水槽底部、水槽壁構成，水槽壁上設置有外沿，水槽壁由水槽壁框架和玻璃構成，水槽下方設置有水循環系統、造流裝置。本專利技術的有益效果是:因本實驗模擬方法可同時獲取水流、振動體、發電機三者的動態數據，依據這些數據可對渦激振動水流發電裝置中“水流-振動體-發電機”三者之間的動力耦合作用進行分析，能真實再現裝置工作性能，為渦激振動水流發電裝置的設計和運營提供了技術保障。【附圖說明】圖1是置于水槽上的本專利技術結構示意圖。圖2是本專利技術端板部分的結構示意圖。圖3是圖1中A-A斷面以下俯視圖。圖4是本專利技術齒輪-齒條部分結構示意圖。圖5是本專利技術水槽的結構示意圖。圖6是本專利技術數據檢測系統的結構框圖。圖中，1.水槽壁，2.外沿，3.水槽底部，4.柱體，5.端板，6.水平板，7.壓縮彈簧，8.角鋼，9.直線軸承，10.直線導軌，11.齒條，12.齒輪，13.發電機，14.支撐框架，15.水平支撐結構，16.固定夾，17.多分量測力天平，18.拉繩位移傳感器，19.拉繩，20.螺栓，21.轉軸，22.造流裝置，23.水循環系統，24.水槽壁框架，25.玻璃，26.PIV粒子圖像測速儀，27.聲學多普勒流速儀，28.數據采集與處理系統，29.計算機。【具體實施方式】下面結合附圖和【具體實施方式】對本專利技術進行詳細說明。本專利技術中，振動體采用非流線型截面柱體，發電機采用小型旋轉式發電機。水流-振動體-發電機動力耦合實驗模擬裝置，結構如圖1-圖6所示，包括設置在水槽內的柱體4，柱體4的兩端設置凹槽，兩個多分量測力天平18嵌入凹槽并固定于柱體4的兩端，多分量測力天平17通過螺栓20與端板5固接，柱體4可根據實驗研究的需要進行更換。兩個端板5通過角鋼8緊固連接，端板5的上端設置水平板6、直線軸承9。如圖1、圖3所示，水平板6下部設置壓縮彈簧7，壓縮彈簧7下端通過夾具與水平支撐結構15連接，壓縮彈簧7可根據實驗研究的需要進行更換。水平支撐結構15通過固定夾16固定在水槽壁I的外沿2上。直線軸承9套接于直線導軌10，直線導軌10通過螺栓固定于支撐框架14，通過直線軸承9的作用使柱體4僅限于豎向上下振動。支撐框架14與水平支撐結構15焊接。拉繩位移傳感器18安裝在支撐框架14的上部，拉繩位移傳感器18的拉繩19與水平板6連接。 如圖1、圖4所示，兩個端板5中的其中一塊端板5安裝齒條11，齒條11與齒輪12嚙合，齒輪12通過焊接與發電機13的轉軸21緊固連接，發電機13通過螺栓固定于支撐框當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
水流?振動體?發電機動力耦合實驗模擬裝置，其特征在于，包括設置在水槽內的柱體(4)，柱體(4)的兩端設置凹槽，兩個多分量測力天平(17)嵌入凹槽并固定于柱體(4)的兩端，多分量測力天平(17)與端板(5)固接，兩個端板(5)通過角鋼(8)緊固連接，端板(5)的上端設置水平板(6)、直線軸承(9)；水平板(6)下部設置壓縮彈簧(7)，壓縮彈簧(7)下端通過夾具與水平支撐結構(15)連接，水平支撐結構(15)固定在水槽壁(1)的外沿(2)；直線軸承(9)套接于直線導軌(10)，直線導軌(10)固定于支撐框架(14)；支撐框架(14)與水平支撐結構(15)焊接，拉繩位移傳感器(18)設置在支撐框架(14)的上部，拉繩位移傳感器(18)的拉繩(19)與水平板(6)連接；兩個端板(5)中的其中一塊端板(5)安裝齒條(11)，齒條(11)與齒輪(12)嚙合，齒輪(12)與發電機(13)的轉軸(21)緊固連接，發電機(13)固定于支撐框架(14)；還包括數據采集與處理系統(28)和計算機(29)，所述多分量測力天平(17)、拉繩位移傳感器(18)、PIV粒子圖像測速儀(26)、聲學多普勒流速儀(27)、發電機(13)分別與數據采集與處理系統(28)輸入端連接，PIV粒子圖像測速儀(26)和聲學多普勒流速儀(27)對水流流速和柱體周圍流場進行測量。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：李小超，趙利平，周熙林，
申請(專利權)人：長沙理工大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43
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