从"抑振"到"用振"！西北工业大学陈东阳教授课题组的振动三连招

导读：前不久，来自西北工业大学陈东阳教授课题组的张新盛博士主讲的《圆柱涡激振动抑制与能量采集协同研究》公开课，向我们展示了如何给涡激振动"上枷锁"——借助非线性能量阱（NES）减振与串列双柱体协同，把"振动"这只野兽关进笼子。

8月25日19时30分，我们再次邀请陈东阳老师课题组李怀军讲师做《近邻干扰作用下驰振电磁俘能研究》公开课，李怀军老师换了一个角度：让振动"反哺"物联网——在传统涡激振动俘能装置"启动风速高、工作范围窄"两大痛点之间，开辟一条驰振 + 电磁俘能的新路。本文提出融合 PTC 构件与近邻干扰钝体的串列双钝体电磁俘能装置（PF-EMEH-PTC），把下游干扰钝体从"流场调控单元"升级为"流场调控 + 能量转换一体化单元"。风洞试验显示：6.0 m/s 风速下最大输出功率 8.39 mW，是无 PTC 装置的 3.44 倍。详情见下文.

一、引言

随着信息通信技术的快速发展，物联网（Internet of Things, IoT）技术在多个领域得到了广泛应用，包括智慧城市、智能健康、智慧农业以及智能环境监测等。随着IoT应用范围的不断拓展，全球范围内部署IoT设备数量呈爆炸式增长，已达到数十亿量级。然而，目前这些传感器与终端设备的主要能源供给方式仍依赖于传统电池。传统电池虽然具有能量密度高、使用便捷等优点，但其有限的寿命导致需要频繁更换，不仅增加了运维成本，还在大规模应用背景下带来了环境污染等潜在问题。因此，如何为海量物联网设备提供更加可持续、绿色且高效的能源供给，已成为制约物联网进一步发展的关键挑战之一。

在此背景下，无源IoT逐渐成为重要的发展方向。无源IoT依赖环境能量的获取与转化实现自供能运行，避免了对传统电池和电源的依赖，能够显著降低维护需求，并提升系统的可持续性与环保性。风能作为一种清洁且环境友好的能源，在自然界中储量丰富、分布广泛，具备长期可持续利用的潜力。基于流致振动的风能俘获技术能够将IoT设备所处环境中的风能，转化为机械振动，并通过压电效应以及电磁感应等方式进一步转换为电能，为设备提供稳定且可持续的能源供应，从而延长设备使用寿命并降低维护成本。

涡激振动和驰振是流致振动俘能技术中研究较为广泛的两类典型振动形式。其中，涡激振动主要发生于圆形截面钝体结构（如圆柱），具有明显的“自限制”特性，即当流体流速超过锁定区域范围时，圆柱振幅会显著下降，导致俘能装置有效工作流速范围有限，难以满足实际环境中风速波动条件下的持续供能需求。相比之下，当流速超过起振速度后，驰振振幅随流速增加持续增大，并能够维持较大的振动响应，因此在拓宽工作流速范围和提高俘能性能方面展现出更大的应用潜力。针对传统涡激振动俘能装置存在的有效工作流速范围有限、振动幅值难以随流速持续提升等问题，国内外研究者围绕结构优化与流场调控开展了大量研究，通过诱导钝体产生驰振响应或促进涡激振动向驰振状态转变，拓宽装置有效工作范围，改善流致振动响应特性，提高能量转换效率。

基于俘能性能增强技术，国内外学者已提出多种新型流致振动俘能装置，并在诱导驰振响应、降低起振速度、拓宽有效工作范围以及提高低流速环境适应性等方面取得了一定进展。目前，流致振动俘能性能增强技术主要包括基于钝体气动/水动力特性的结构优化方法和基于邻近干扰效应的增强技术。前者主要通过在圆柱表面附加被动控制构件、改变表面粗糙特征或优化钝体截面形状，调节钝体周围流场结构及气动/水动力特性，改变流动分离特征、剪切层发展过程及尾流演化规律；后者则利用相邻钝体之间复杂的尾流干扰和间隙流动效应，改变结构周围流场演化过程及非定常流体作用力。

然而，现有研究仍存在以下不足：

（1）当前研究主要针对单一增强策略开展优化，结合两类增强技术优势实现协同强化的研究欠缺，导致流致振动的提升幅度有限，继而无法有效支撑本项目所关注的低风速场景下的能量俘获问题的解决。

（2）基于邻近干扰钝体调控的流致振动增强技术目前主要应用于压电式俘能装置，在电磁式俘能领域的研究仍较为有限，且现有邻近固定干扰钝体主要作为流场调控单元，通过改善主振动体的流致振动响应提升俘能性能，其与俘能模块的协同设计及功能拓展尚未得到充分研究。上述不足，本研究提出了一种新型流致振动电磁俘能装置，并通过风洞试验系统研究了所提装置在不同工况下的能量输出特性，具体研究内容如下：

二、装置设计

在上游圆柱弹性支撑、下游干扰钝体固定的串列双钝体系统中，邻近干扰钝体能够增强上游钝体的流致振动响应，同时上游圆柱发生流致振动时，其与固定干扰钝体之间将产生相对位移。结合电磁感应原理，提出了一种电磁俘能装置（Electromagnetic Energy Harvester, EMEH），其主要结构包括上游圆柱、平行四边形柔性机构（Parallelogram Flexure Mechanism, P-flexure）以及下游干扰方柱，该装置被命名为PF-EMEH-PTC。当PF-EMEH-PTC中的上游圆柱替换为光滑圆柱，将其命名为PF-EMEH。所提装置融合附加构件调控与邻近干扰钝体调控两类流致振动增强技术，通过PTC构件与干扰钝体的协同调控，增强装置流致振动响应并提高俘能性能。

同时，干扰钝体兼具流致振动振动增强与俘能模块支撑功能，实现了对干扰钝体功能的拓展与充分利用，为低风速环境下流致振动电磁俘能装置性能提升与结构创新提供新的技术方案。所提装置设计图如下图所示。其中，俘能模块（线圈与磁铁）分别嵌入上游PTC圆柱和下游固定干扰钝体内部，在不改变钝体气动外形的前提下实现电磁能量转换功能集成。

同时，该设计突破了传统邻近干扰钝体仅作为流场调控单元的局限，实现了干扰钝体由流动调控结构向流动调控与能量转换一体化功能单元的拓展。其工作原理如下：当风速达到启动风速时，带有磁铁的上游PTC圆柱在交替变化的气动力作用下产生流致振动，并与下游固定干扰钝体形成相对运动，使线圈内的磁通量发生周期性变化，进而在线圈两端产生感应电动势；当外接负载电阻后，电路中形成感应电流，实现风能向电能的转换。

图串列双钝体驰振电磁俘能装置设计图

三、试验研究

3.1 试验模型与数据采集系统

为评估所提出电磁俘能装置的性能，在直流式风洞中开展系列风洞试验，重点研究PTC及间距比对装置流致振动响应与俘能性能的影响。试验装置的大部分零部件采用PLA（Polylactic Acid）材料，并通过3D打印技术加工制造；完成装配后，将装置整体安装于风洞试验段内，并与安装于风洞顶部的固定支撑结构连接，具体试验装置及安装方式如下图所示。

图 所提装置试验模型

采用激光位移传感器测量上游圆柱中心的位移响应。线圈与可调负载电阻采用串联方式连接，通过改变负载电阻调节装置的负载条件。在开路及串接可调负载电阻两种条件下，分别采集装置的位移响应和电压输出信号，并将数据传输至计算机进行处理与分析，具体数据采集系统如下图所示 

图 数据采集系统

3.2 试验结果分析

（1）PTC的影响分析

通过比较PF-EMEH-PTC与PF-EMEH的性能，评估PTC对电磁俘能装置性能的影响。PF-EMEH-PTC与PF-EMEH的位移ymax及开路电压Voc随风速Uf的变化如下图所示。PF-EMEH-PTC的起振风速为2.3 m/s，而PF-EMEH为3.3 m/s，说明PTC有效降低了装置的起振风速。PF-EMEH-PTC的ymax明显大于PF-EMEH，具体而言，当Uf = 6.0 m/s时，其最大位移达到27.30 mm，约为PF-EMEH的1.60倍。此外，PF-EMEH-PTC的开路电压为PF-EMEH的1.25至3.26倍，具体数值随风速变化而异。

图 PF-EMEH-PTC和PF-EMEH的ymax和VOC随Uf的变化

进一步比较了不同风速条件下PF-EMEH-PTC与PF-EMEH的性能随负载电阻的变化。在固定风速条件下，输出电压均随负载电阻的增大而升；在固定负载电阻条件下，电压幅值随风速的增加而逐渐增，同时PF-EMEH-PTC的电压幅值明显高于PF-EMEH。在相同风速条件下，PF-EMEH-PTC的最优负载电阻低于PF-EMEH，表明气动力特性增强的PF-EMEH-PTC能够更有效地克服电磁阻尼的阻碍，其性能优于PF-EMEH。当Uf = 6.0 m/s时，PF-EMEH-PTC的最大输出功率为8.39 mW，是PF-EMEH的3.44倍，充分体现了PF-EMEH-PTC在能量俘获方面的显著优势。

图 不同Uf条件下PF-EMEH-PTC和PF-EMEH的Vrms和P随R的变化，及在R = 800 Ω时的电压时程曲线

（2）间距的影响分析

研究了上游Large-PTC圆柱与下游干扰方柱间距（G）对PF-EMEH-PTC能量俘获性能的影响。首先考察了不同间距（G = 1 mm，G = 3 mm和G = 5 mm）下的最大位移（ymax）和均方根开路电压（Voc）。如下图所示，不同风速条件下三种间距的最大位移差异虽不显著，但整体呈现随间距减小而增大的趋势。这表明，随着间距增加（即两钝体之间的距离变大），由下游干扰方柱引起作用于上游圆柱的气动力减弱。与位移结果不同，输出电压对间距高度敏感，不同间距条件下的开路电压差异显著。这主要归因于间距增加使穿过线圈的磁通量急剧下降。 

图 不同G下PF-EMEH-PTC的ymax及Voc随Uf的变化 

如下图所示，比较了不同间距条件下，PF-EMEH-PTC在选定风速下输出功率随负载电阻的变化。图中黄色标记表示在对应最优负载电阻下，三种间距条件下选定风速范围内的最大输出功率。显然，在相同风速下，随着间距的增大，装置输出功率显著下降。PF-EMEH-PTC在间距为G = 1 mm的性能远优于间距为G = 3 mm和G= 5 mm。例如，当Uf = 6.0 m/s时，G = 1 mm对应的最优输出功率为8.39 mW，分别是G = 3 mm（2.41 mW）和G= 5 mm（1.43 mW）的3.48倍和5.87倍。在较高风速（如Uf = 6.0 m/s）下，三种间距对应的最优负载电阻均趋近于线圈内阻。同时，在最优负载电阻尚未接近内阻之前，相同风速下不同间距对应的最优负载电阻存在明显差异，并总体呈现随间距增大而减小的趋势。例如，当Uf = 4.6 m/s时，G = 1 mm对应的最优负载电阻为R = 800  Ω，而G= 3 mm和G= 5 mm对应的最优负载电阻均为R = 600  Ω。上述结果表明，间距对本文所提出电磁俘能装置的能量俘获性能具有重要影响，较小的间距（即上游圆柱与下游干扰方柱之间更近的距离）更有利于提高输出功率。

图 不同Uf和G下PF-EMEH-PTC的P随R的变化

四、写在最后

本文提出了一种新型驰振电磁俘能装置（EMEH），用于风能俘获。该装置利用串列双钝体之间的相对运动实现风能向电能的转换，其中上游PTC圆柱采用弹性支撑并内置磁铁，下游固定干扰方柱内置线圈，由此构建PF-EMEH-PTC。通过风洞试验，系统研究了PTC及间距对PF-EMEH-PTC风能俘获性能的影响。主要结论如下：

（1）PTC显著降低了装置的起振风速，拓宽了其工作风速范围。此外，PTC提升了上游圆柱的振幅，提高了装置的输出功率。PF-EMEH-PTC的最大输出功率达到8.39 mW，约为PF-EMEH的3.44倍。

（2）间距对所提出装置的能量俘获性能具有显著影响，其变化不仅影响上游圆柱所受的电磁阻尼力，还会改变下游干扰方柱对上游圆柱气动力的作用。具体而言，随着间距的减小，上游圆柱的振幅及其所受的电磁阻尼力均随之增大。对于PF-EMEH-PTC，当间距为G = 1 mm时，其输出功率达到8.39 mW，分别为3 mm（2.41 mW）和5 mm（1.43 mW）时的3.48倍和5.87倍。

（3）在下游干扰方柱的促进作用下，上游圆柱能够激发驰振，从而拓宽装置的工作风速范围。尽管减小负载电阻和间距会增加作用于上游圆柱的电磁阻尼力，但试验结果表明，这些因素对装置的起振风速影响不显著，这与传统驰振电磁俘能装置存在显著差异。这些特性显著提升了所提出装置在实际应用中的可行性与适用性。

区别于现有串列双钝体研究中下游固定钝体主要用于调控上游钝体周围流场的作用方式，所提装置进一步将下游干扰钝体作为电磁俘能模块的固定支撑，使其同时具备邻近干扰与支撑俘能模块功能，实现了干扰钝体功能的拓展。同时，将电磁俘能模块集成于钝体内部，避免外置俘能模块对钝体外形及其气动特性的影响，实现俘能模块与钝体结构的一体化设计。该设计改变了传统流致振动电磁俘能装置中俘能模块外置的布置方式，为流致振动电磁俘能装置的集成化结构设计提供了新的思路。

五、线上公开课

为了帮助读者更好理解这项技术，8月25日19时30分，2026仿真知识狂欢节第十一期讲座将邀请西北工业大学—陈东阳教授课题组李怀军讲师做《近邻干扰作用下驰振电磁俘能研究》，本期直播，西北工业大学陈东阳教授课题组李怀军讲师将系统分享"近邻干扰作用下驰振电磁俘能"研究：基于钝体气动/水动力特性的结构优化方法、基于近邻干扰的性能增强方法、风洞试验与全流程测试方法，以及系统参数对俘能性能的影响规律。适合从事环境能量采集、流致振动机理研究与俘能装置研发的工程师、科研人员观看。

1、邀请嘉宾

陈东阳  教授  西北工业大学

国家级青年人才，西北工业大学自主水下航行器科技创新团队骨干。一作出版专著 2 部、教材 1 部；发表学术论文 86 篇；授权国家发明专利 23 项、计算机软件著作权 16 项。近 5 年主持国家级项目 7 项、省部级项目 4 项；获国家一级学会 / 协会科技进步奖 5 项、市厅级科技成果一等奖 2 项；研究成果获中船工业、中海油等企业院所应用证明 14 项。担任国家重大项目系统主任设计师、SCI 特刊客座主编、《南京理工大学学报》青年编委。

陈东阳教授课题组紧扣国家海洋强国战略重大需求，长期深耕海洋装备多体系统流固耦合动力学理论创新、智能设计技术与工程应用，核心研究方向与突破成果包括：

（1）舵驱动系统故障诊断与设计技术：攻克舵驱动系统异常振动噪声溯源、功能集成设计等关键技术难题。

（2）复合动态管缆系统涡振预报与设计技术：突破管缆系统功能分层设计、抑振延寿等核心技术瓶颈。

（3）水面推进系统智能设计与低频预报技术：解决水面舰艇推进系统高效低噪融合设计、低频非定常激励预报等工程难点。

李怀军 讲师

奥克兰大学联合培养博士，西北工业大学陈东阳教授课题组成员。长期从事流致振动与能量俘获技术研究，主要围绕串列多钝体系统流动干扰机制、流致振动响应特性、协同能量转换及结构参数优化等方面开展研究。针对多钝体耦合作用下振动增强机制与高效俘能方法，开展了系统性的理论分析、实验研究与性能优化工作。相关研究成果发表于 Applied Energy、Energy 等国际能源领域期刊。

2、如何观看

本期直播在仿真秀官网和APP同步直播，欢迎用户来直播间与主讲嘉宾进行交流。请识别下方二维码报名，报名后支持反复回看。