架14。发电机13可连接不同电阻值的负载电阻，用于研究不同负载情况下涡激振动水流发电装置的工作性能。
[0022]图5为水槽壁的结构，水槽由水槽底部3、水槽壁I构成，水槽壁I上设置有外沿2，水槽壁I由水槽壁框架24和玻璃25构成，水槽下方设置有水循环系统23、造流装置22。
[0023]还包括数据采集与处理系统28和计算机29，如图6所示，多分量测力天平17、拉绳位移传感器18、PIV粒子图像测速仪26、声学多普勒流速仪27、发电机13分别与数据采集与处理系统28的输入端连接。
[0024]使用时，将水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置放于水槽，往水槽内灌入一定深度的水使柱体4淹没于水下，水槽上安装PIV粒子图像测速仪26、声学多普勒流速仪27。启动造流装置22，水流沿水槽流动，并对柱体4施加水流力，柱体4在水流力的作用下带动齿条11发生上下振动，齿条11通过啮合力使齿轮12转动，带动发电机13的转轴21转动，产生电能。水流越过柱体4时，因受到柱体4振动的影响，柱体4周围的流场及所受到的水流力相应改变。开启声学多普勒流速仪27、PIV粒子图像测速仪26、多分量测力天平17和拉绳位移传感器18分别对同一时间段流速、柱体周围流场变化、柱体不同方向受到的动态水流力、柱体的振动位移等进行检测，并将上述检测数据及发电机13输出电压信号传输给数据采集与处理系统28进行处理。
[0025]因涡激振动水流发电装置中水体流动、振动体振动、发电机运转之间的相互影响机理非常复杂，单纯测量振动位移和发电机输出电压，不可能准确反映出装置的真实工作状况，而本方法采集的是在同一时间水流、振动体、发电机三者产生的动态数据，依据这些数据可以再现三者的耦合作用状况，因此本发明实验模拟方法更接近于装置的实际工作状况。
[0026]本发明的实验方法，具体按照以下步骤进行:
[0027](I)将实验装置牢固地安装在水槽的中部，避免实验过程中移动或摆动。将声学多普勒流速仪27、PIV粒子图像测速仪28、多分量测力天平17、拉绳位移传感器18和发电机13的引出线与数据采集与处理系统28连接，数据采集与处理系统28与计算机29连接，确保连接良好，此为常规实验步骤。
[0028](2)向水槽中注水指定液位，使柱体4淹没于水下，将PIV粒子图像测速仪27用的示踪粒子按照PIV粒子图像测速仪27的要求撒入水中，并对实验装置进行调试，拨动柱体，观察其是否运动灵活；开启测试系统，确认流速测试系统、流场测试系统、水流力测试系统、振动测试系统和电压测试系统工作正常，开启造流系统，确认试验模型运动正常，所有测试信号正常后，关闭造流系统。此为常规实验步骤。
[0029](3)开启造流系统进行涡激振动试验，对不同流速条件下对所有试验参数(流速、流场、水流力、振动位移、发电机输出电压)进行测试，其中水流力、振动位移及发电机输出电压测试的采样频率不大于最大旋涡脱落频率的10倍，以避免数据分析时出现混频现象。此为常规试验步骤。
[0030](4)对涡激振动现象和数据进行分析，分析升力、拖曳力、振动位移和发电机输出电压的时域特征和谱特性(频率成分、主频率、带宽)，分别求出升力与振动位移的关系、电压与振动位移的关系及电压与升力的关系；求出升力和拖曳力的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；求出振动位移的频率比与幅值比及其与约化速度的关系；求出电压的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；分析尾流场形态，求出与升力、拖曳力、振动位移和电压同步的涡旋脱落特征；求出水流功率、振动功率和发电机输出功率及它们之间的关系；求出各级能量转换效率及其与约化速度、升力及振动位移的关系；求出水流-振动体-发电机动力耦合对旋涡脱落、升力、拖曳力、振动位移、电压及能量转换效率的影响。此步骤中内容为本发明所提出的分析内容，属发明的核心内容，其具体的分析方法对于本领域的技术人员来说属于公知常识。
【主权项】
1.水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，其特征在于，包括设置在水槽内的柱体(4)，柱体(4)的两端设置凹槽，两个多分量测力天平(17)嵌入凹槽并固定于柱体(4)的两端，多分量测力天平(17)与端板(5)固接，两个端板(5)通过角钢(8)紧固连接，端板(5)的上端设置水平板￠)、直线轴承(9);水平板(6)下部设置压缩弹簧(7)，压缩弹簧(7)下端通过夹具与水平支撑结构(15)连接，水平支撑结构(15)固定在水槽壁(I)的外沿(2);直线轴承(9)套接于直线导轨(10)，直线导轨(10)固定于支撑框架(14);支撑框架(14)与水平支撑结构(15)焊接，拉绳位移传感器(18)设置在支撑框架(14)的上部，拉绳位移传感器(18)的拉绳(19)与水平板(6)连接；两个端板(5)中的其中一块端板(5)安装齿条(11)，齿条(11)与齿轮(12)啮合，齿轮(12)与发电机(13)的转轴(21)紧固连接，发电机(13)固定于支撑框架(14);还包括数据采集与处理系统(28)和计算机(29)，所述多分量测力天平(17)、拉绳位移传感器(18)、PIV粒子图像测速仪(26)、声学多普勒流速仪(27)、发电机(13)分别与数据采集与处理系统(28)输入端连接，PIV粒子图像测速仪(26)和声学多普勒流速仪(27)对水流流速和柱体周围流场进行测量。2.根据权利要求1所述的水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，其特征在于，所述多分量测力天平(17)通过螺栓(20)与端板(5)固接。3.根据权利要求1所述的水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，其特征在于，所述水平支撑结构(15)通过固定夹(16)固定在水槽壁(I)的外沿(2)。4.根据权利要求1所述的水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，其特征在于，水槽由水槽底部(3)、水槽壁(I)构成，水槽壁(I)上设置有外沿(2)，水槽壁(I)由水槽壁框架(24)和玻璃(25)构成，水槽下方设置有水循环系统(23)、造流装置(22)。
【专利摘要】本发明公开水流-振动体-发电机动力耦合实验模拟装置，包括柱体，两个多分量测力天平嵌入凹槽并固定于柱体的两端，多分量测力天平与端板固接，两个端板连接，端板的上端设置水平板、直线轴承；水平板下部设置压缩弹簧，压缩弹簧下端通过夹具与水平支撑结构连接；直线轴承套接于直线导轨；支撑框架与水平支撑结构焊接，拉绳位移传感器设置在支撑框架的上部，拉绳位移传感器的拉绳与水平板连接；通过数据采集与处理系统对多分量测力天平、拉绳位移传感器、PIV粒子图像测速仪、声学多普勒流速仪和发电机的输出数据进行同步采集和处理。能够获取流速、振动体周围流场、振动体所受水流力、振动体的振幅与频率、发电机输出电压及装置转换效率。
【IPC分类】G01R31/34, G01M10/00
【公开号】CN105182232
【申请号】CN201510496948
【发明人】李小超, 赵利平, 周熙林
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月13日