带仿生叶片的扑翼式水流能能量转换装置

本发明涉及一种扑翼式水流能能量转换装置，尤其是一种带仿生叶片的扑翼式水流能能量转换装置。

背景技术：

1、潮流及河流中的流水是一种储量丰富的可再生能源，研究表明水流流速在2米/秒以上的区域就具有开发利用价值。与风能利用的方式类似，流水中的动能也需要利用一定形式的能量转换装置转换为机械能，进而与发电机相连转换为电能。扑翼是一种(如图1的(a)，(b)所示)利用叶片进行升沉和俯仰的叠加运动(升沉运动是翼型在平面内的上下平动，俯仰运动是扑翼翼型绕平动平面内一点的运动，图1的(a)中a为升沉运动最高点，b为升沉运动最低点)从流水中获取能量的能量转换装置。流体流过叶片时在其表面产生的合力在竖直方向上的分量称之为升沉力，因升沉力方向与叶片的运动方向一致，从而对叶片做正功。因此流体通过推动叶片运动从而将其动能转换为机械能。

2、扑翼式获能装置具有设计简单、噪音低、受水深影响小且适应范围广等优点，且因运动速度较低从而对水生动植物的破坏性更小。然而由于这种装置的能量转换效率较低长期得不到有效的推广和应用。扑翼装置的增效方法成为目前研究的热点问题。

3、迄今的研究方法主要分为主动式和被动式两类。被动式方法如开槽/缝、凹腔、强制转捩装置等往往需要破坏叶片表面或者增加额外的附属结构，在复杂水工况下易被堵塞或损坏从而影响其提升扑翼性能的效果。主动控制方法具有良好的变工况性能，可以根据外部流场的变化对自身结构或者流动参数进行相应的改变，从而在较大工况范围内都能获得最优的提升效果，而这些方法依赖于外部能量的输入，耗能较高且需要复杂的控制系统，从而导致成本上升。因此探寻简单高效、在恶劣环境中具有较强运行可靠性的增升方法和措施，进而提高这种获能器的水流能转换效率具有重要的工程应用价值和广阔的市场发展前

4、现用于扑翼增升的方法中，被动式如在叶片表面进行开槽/缝、凹腔、添加强制转捩结构等方法虽不需要外部能量输入，但需要破坏叶片表面或者增加额外的附属结构，在复杂水工况下易被堵塞或损坏从而影响其提升扑翼性能的效果。主动控制方法可以具有良好的变工况性能，可以根据外部流场的变化对自身结构或者流动参数进行相应的改变，从而在较大工况范围内都能获得最优的控制效果。但现阶段采用的大部分主动控制方法通常需要较大的外部能量输入，因此扣除能耗后能量转换效率仍然较低。

技术实现思路

1、针对目前这些现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种带仿生叶片的扑翼式水流能转换装置。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，在扑翼叶片前缘采用仿生波浪形状，以增加叶片的水动力性能，提升其能量转换效率；在扑翼叶片尾缘部附加锯齿结构，用于降低扑翼运动过程中产生的水下噪声，提升装置的静音性能。

3、进一步，仿生波浪形状前缘为正弦函数组成的形状，其无量纲振幅a*＝a/c，无量纲波长λ*＝λ/r，能保证叶片产生最佳的增升效果，显著提高装置的能量转换效率，其中：c为叶片弦长，r为叶片展长，a为振幅，λ为波长。

4、进一步，无量纲振幅a*取值范围为0.025～0.055；无量纲波长λ*取值范围为0.021～0.078。

5、进一步，扑翼叶片尾缘部的锯齿结构呈现规则的三角形锯齿。

6、进一步，扑翼叶片尾缘部锯齿无量纲长度h*＝h/c取值范围为0.05～0.2，无量纲锯齿齿宽w*＝w/h取值范围为0.5～1.5,h为锯齿齿高，w为锯齿齿宽，c为叶片弦长。

7、本发明的有益效果是：

8、本发明的带仿生叶片的扑翼式水流能转换装置的叶片前缘采用仿生波浪形状，能减小叶片表面在低频运动下的表面流动分离，增加叶片受到的升沉力，进而提升叶片的做功能力；叶片尾缘处则附加有锯齿形状结构，能减小由于叶片扑动中产生的水动力噪声，进一步提高这种装置的环境友好度。因此与现有技术相比，本发明的装置具有结构简单、噪音低、结构鲁棒性高且能量转换率高等突出特点。

技术特征：

1.一种带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，其特征在于：在扑翼叶片前缘采用仿生波浪形状，以增加叶片的水动力性能，提升其能量转换效率；在扑翼叶片尾缘部附加锯齿结构，用于降低扑翼运动过程中产生的水下噪声，提升装置的静音性能。

2.根据权利要求1所述的带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，其特征在于：仿生波浪形状前缘为正弦函数组成的形状，其无量纲振幅a*＝a/c，无量纲波长λ*＝λ/r，能保证叶片产生最佳的增升效果，显著提高装置的能量转换效率，其中：c为叶片弦长，r为叶片展长，a为振幅，λ为波长。

3.根据权利要求2所述的带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，其特征在于：无量纲振幅a*取值范围为0.025～0.055；无量纲波长λ*取值范围为0.021～0.078。

4.根据权利要求1所述的带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，其特征在于：扑翼叶片尾缘部的锯齿结构呈现规则的三角形锯齿。

5.根据权利要求4所述的带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，其特征在于：扑翼叶片尾缘部锯齿无量纲长度h*＝h/c取值范围为0.05～0.2，无量纲锯齿齿宽w*＝w/h取值范围为0.5～1.5,h为锯齿齿高，w为锯齿齿宽，c为叶片弦长。

技术总结本发明涉及一种带仿生叶片的扑翼式水流能利用装置，在扑翼叶片前缘采用仿生波浪形状，以增加叶片的水动力性能，提升其能量转换效率；在扑翼叶片尾缘部附加锯齿结构，用于降低扑翼运动过程中产生的水下噪声，提升装置的静音性能。本发明的带仿生叶片的扑翼式水流能转换装置的叶片前缘采用仿生波浪形状，能减小叶片表面在低频运动下的表面流动分离，增加叶片受到的升沉力，进而提升叶片的做功能力；叶片尾缘处则附加有锯齿形状结构，能减小由于叶片扑动中产生的水动力噪声，进一步提高这种装置的环境友好度。因此与现有技术相比，本发明的装置具有结构简单、噪音低、结构鲁棒性高且能量转换率高等突出特点。技术研发人员：孙晓晶,刘泽琳,蒙耕仪,陈振杰,刘宏韬受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11