水翼能量收割之最佳化研究：利用障礙物後方渦漩誘發之自持性運動

Abstract

本論文以流體渦漩誘發現象之特性，將弦長20公分之NACA0012水翼放置於障礙物尾流後方驅使水翼進行自持性能量擷取運動。工作的原理是將障礙物放置於水平式循環水洞中，使其後方產生逸放渦漩以帶動下游之水翼做起伏(heaving)運動。同時利用置於水洞兩側而垂直壁面之擋板所產生的匯流效應，驅使水翼在起伏運動行程之後段進行改變攻角之俯仰(pitching)運動，使得水翼在設定的行程內進行自持性的往復運動以擷取流能。實驗水翼之弦長為20公分之NACA0012翼型，展弦比為1.1及1.5；水翼之最大俯仰角為±35度，轉動軸位於水翼弦長之0.5c處。基於水翼弦長c，障礙物上游流體均勻入流速U之雷諾數Re分別為3.0×104、3.8×104及4.6×104。產生渦流逸放的障礙物採用三角柱及半圓柱，障礙物尾緣與水翼中心的間距X1分別為1.5c、1.75c及2c。藉由加入30～50微米大小之懸浮顆粒於流體中，吾人可進行定性之流場顯影並求得定量之速度分布。配合水翼瞬時升力的量測，吾人可計算不同流場環境中水翼的能量擷取效率。 經研究後發現水翼升力與起伏速度兩者之間的頻率一致，能量擷取效果更加卓越。其次則是起伏振幅，假設水翼的平均能量擷取係數相同而振幅較小之水翼其擷取效率愈高。當展弦比為1.1之水翼在三角柱後方進行往復運動且間距X1為1.75c時，平均能量擷取效率達37%(P=4.5 mW)。若是將障礙物更換為半圓柱，同時使用展弦比為1.5之水翼，平均能量擷取效率增加至41%(P=8.3 mW)。 除此之外，吾人使用數值模擬的方式觀察水翼周圍流況，雖然無法正確求得水翼整體受力，但在模擬之流場顯影像中觀察到了與實驗相同的渦漩分布，藉此推論出水翼受到的渦度力相當，而實驗與模擬結果差別在於水翼所受到的勢流力不同。