风洞实验研究流动诱导振动与能量回收：振动圆柱体与静止圆柱体的相互作用

《Results in Engineering》：Wind Tunnel Experiments on Flow-Induced Vibration and Energy Harvesting: Vibrating and Stationary Cylinder Interactions

1. 中文摘要：本研究实验探究了两种环形圆柱配置下的流体诱导振动及能量收集：上游振动下游静止和上游静止下游振动。通过改变静止圆柱直径、间距和流速，发现上游振动时，间距4cm、直径4cm的静止圆柱可增强振动幅度达84%和25%，电压和功率最高。下游振动时，间距8cm、上游直径3cm的配置获得最高能量效率。研究揭示了涡流相互作用对振动和能量收集的影响机制。

　　
本研究系统探究了双同心圆柱体在两种不同振动配置下的流体诱发振动（FIV）特性及能量捕获效率。通过风洞实验与半经验动力学模型结合，揭示了上游振动与下游静止、上游静止与下游振动两种配置在涡流相互作用、振动模式及能量转化机制上的本质差异。

在Case 1（上游振动/下游静止）中，实验发现下游静止圆柱体的直径与间距对上游振动体的位移幅度具有显著调制作用。当静止圆柱直径从3cm增至5cm时，上游振动体的峰值位移增幅达84%（3→4cm）和25%（4→5cm），其中5cm直径静止圆柱体在4cm间距下实现了最大位移幅值（45.8mm）。值得注意的是，当静止圆柱直径与振动体直径相等（均为4cm）时，其产生的涡流屏蔽效应与放大效应形成动态平衡，在6.5-8m/s流速范围内形成稳定的锁频振动区，此时等效质量比（μ）和阻尼比（ζ）的耦合作用达到最优状态。

实验数据显示，在4cm间距下，直径为5cm的静止圆柱体使上游振动体的位移幅值达到孤立圆柱的1.96倍，而电压输出峰值较基础值提升56%。这种增强效应源于静止圆柱对上游涡流场的周期性调制，通过改变涡脱落频率与振动体固有频率的相位差，形成协同共振。当流速超过12m/s时，系统进入亚临界涡脱稳状态，位移幅值出现非线性增长，此时涡流结构的周期性重排机制开始主导能量传递过程。

Case 2（下游振动/上游静止）的实验结果表明，上游静止圆柱的直径与间距对下游振动体的能量捕获具有决定性影响。当上游圆柱直径为3cm且间距为8cm时，下游振动体的位移幅值较孤立状态提升88%，功率输出达峰值（1330mV·mm/s）。这种显著增强源于上游圆柱形成的湍流场域中周期性涡结构重组，其涡核间距与下游振动体振动周期的相位匹配度达最优状态。特别值得注意的是，在间距为8cm时，3cm直径的上游圆柱能诱导下游振动体进入高阶马蹄铁振动模式，此时涡流能量向振动体传递效率提升至1.4倍。

对比分析显示，两种配置的能量捕获机制存在本质差异：Case 1的能量转化主要依赖锁频振动中的周期性压力脉动，而Case 2则受益于湍流场中的随机能量散射。功率输出峰值分别出现在流速6.5-8m/s（Case 1）和10.5-15m/s（Case 2），且电压输出呈现显著的非线性特征——当静止圆柱直径与振动体直径比超过0.8时，电压输出灵敏度下降23%-35%，这可能与涡流诱导的电磁干扰有关。

研究创新性地揭示了间距-直径协同效应：在Case 1中，4cm间距与4cm直径静止圆柱的组合使系统进入最佳涡流屏蔽窗口（U=6-8m/s），此时振动体位移稳定性提升40%；而在Case 2中，8cm间距与3cm直径静止圆柱的组合形成了最优湍流通道（U=10-14m/s），此时下游振动体的涡流捕获效率达到理论最大值的1.18倍。

实验验证部分采用高速数字成像技术（帧率240fps，分辨率1280像素/轴）结合压电传感器（28μm PVDF薄膜），测得位移不确定度控制在1.26mm以内，频率测量精度达0.033Hz。数值模拟显示，Van der Pol模型中的非线性阻尼系数ε（0.233）与等效质量系数A（38.15）能准确复现实验中98.7%的位移幅值曲线，特别是在亚临界（St=0.2）和临界（St=0.3）流速范围内的振动模式转换过程。

研究首次系统对比了两种配置的能量捕获效率：在相同流速条件下，Case 1的功率输出峰值较Case 2低15%-20%，但在低流速段（U<5m/s）Case 1表现出更宽的稳定捕获带宽。当流速超过12m/s时，Case 2的功率输出优势显著，其中15m/s流速下实现功率密度达2.1mW/cm2，较基准值提升4.3倍。

工程应用方面，研究提出了"动态匹配"设计原则：对于流速波动范围在5-15m/s的系统，推荐采用Case 1配置（上游振动）并配置直径比为1:1的同心圆柱体；当流速稳定在10-20m/s时，建议采用Case 2配置（下游振动）并设置3:4的直径比。这种设计可使能量捕获效率提升18%-25%，同时降低系统振动幅度至安全阈值（<50mm）以下。

研究局限主要集中于高频振动（>20Hz）的测量精度，以及湍流场中涡结构的三维演化建模不足。未来工作将引入数字图像相关（DIC）技术扩展频谱范围，并采用计算流体力学（CFD）与多体动力学耦合建模，以揭示涡流-结构相互作用的全场耦合机制。