楊 武，白志剛，余海濤，馬 暄，臧 穎，陳 成，戴 磊

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

一種海洋柔性膠囊波能發(fā)電裝置研究

楊 武，白志剛，余海濤，馬 暄，臧 穎，陳 成，戴 磊

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

海洋波浪能可再生能源的開發(fā)是未來發(fā)展的趨勢，開發(fā)設(shè)計更為高效的波能轉(zhuǎn)換利用裝置是開發(fā)利用波浪能的關(guān)鍵。根據(jù)脈搏脈動機(jī)理，設(shè)計發(fā)明了一種柔性膠囊發(fā)電裝置，利用柔性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)收縮性，讓其隨著波峰波谷收縮擴(kuò)張，進(jìn)而形成脈動來傳輸水體，使相連尾端豎管內(nèi)水位隨著脈動驟升驟降來壓縮排出和快速吸入空氣。進(jìn)行了一系列探索性實驗，著重研究柔性材料厚度、波高、周期、氣室孔徑對該試驗裝置的波能轉(zhuǎn)換率的影響，數(shù)據(jù)表明，柔性硅膠管有很好的聚波作用，氣室的設(shè)計和建造對波能轉(zhuǎn)換效率有較大的影響。

波浪能；柔性膠囊；發(fā)電裝置；波能轉(zhuǎn)換率；聚波作用；脈動；氣室

Abstract：The development of ocean wave renewable energy is the trend of future.The coastline is long in China and our wave energy is abundant.The key of using the wave energy is to design more efficient use of the wave energy conversion device.Based on the mechanism of pulse fluctuation,making good use of the flexible capsule expansion and contraction with the peaks and valleys,the pulsating is formed to transfer water.Tthe experimental study focuses on the wave energy conversion rate of the test device.A series of exploratory experiments are designed to study the influence of flexible material thickness,wave height,period,chamber aperture in the wave energy conversion rate of the test apparatus.The data suggest that the flexible capsule has a good ability to gather wave energy.The design of air chamber has a great influence on the wave energy conversion rate.

Keywords：wave energy; flexible capsule; power generation device; wave energy conversion rate; gather wave energy; pulsation; air chamber

20世紀(jì)70年代以來，許多海洋國家積極開展波浪能開發(fā)利用的研究，并取得了較大進(jìn)展。目前，波浪能開發(fā)利用技術(shù)漸趨成熟，已進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展階段，將向大規(guī)模利用和獨立穩(wěn)定發(fā)電方向發(fā)展。最早利用波浪能發(fā)電的探索可追溯到200多年前，即1799年在巴黎發(fā)表了第一個波能轉(zhuǎn)換裝置的專利。英國有著世界上最好的波浪能資源。從20世紀(jì)70年代開始，英國將波浪發(fā)電研究放在新能源開發(fā)的首位。20世紀(jì)80年代初，英國就已成為世界波浪能研究中心。日本已有數(shù)千座波浪能電站投入運行，其中兆瓦級的“海明號”波力發(fā)電船，是世界上最著名的波浪能發(fā)電裝置。1985年，挪威建成一座裝機(jī)容量500 kW的波浪能發(fā)電站，是迄今世界上已建成的最大的岸式波浪能發(fā)電站。

我國波浪能發(fā)電研究始于20世紀(jì)70年代，于1975年研制成1臺1 kW的波力發(fā)電浮標(biāo)，在浙江省嵊山島進(jìn)行了試驗。80年代以后獲得較快發(fā)展，1984年廣州能源所研制成功6W小型波力發(fā)電裝置，用于導(dǎo)航燈標(biāo)，隨后按不同導(dǎo)航燈標(biāo)的要求，又開發(fā)了系列產(chǎn)品。目前在我國沿海航線已安裝了數(shù)百臺這種小型波力發(fā)電裝置，已向國外出口，該技術(shù)屬于國際領(lǐng)先水平。

中國第一座實驗波力電站位于南中國海的珠海市大萬山島，1989年試建成功，裝機(jī)容量為3 kW的多振蕩水柱型沿岸固定式波力電站。1989年、1990年及1991年分別對其做了三次海上運行實驗，研究了實海況下氣室、透平及電機(jī)的性能。試驗結(jié)果表明，該電站具有很好的實海況性能。波力電站的平均“總效率”大都在10%～35%，最大值接近40%。在該電站原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，廣州能源研究所已將其改建成一座20 kW的波力電站，并于1996年2月試發(fā)電成功，逐步完善后將向島上提供補(bǔ)充電源。

“九五”期間，在科技部科技攻關(guān)計劃支持下，廣州能源研究所正在廣東汕尾市遮浪研建100 kW波力電站，是一座與電網(wǎng)并網(wǎng)運行的岸式振蕩水柱型波能裝置，項目開始于1996年12月，工程結(jié)束于2001年2月?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入試發(fā)電和實海況實驗階段，從試發(fā)電和實海況試驗的情況來看，電站設(shè)計合理，波能轉(zhuǎn)換效率較高，達(dá)到了設(shè)計要求。同時，由天津國家海洋局海洋技術(shù)所研建的100 kW擺式波力電站，已在1999年9月在青島即墨大官島試運行成功。我國計劃至2020年，在山東、海南、廣東各建一座1 000 kW級的岸式波力電站。

而對于柔性結(jié)構(gòu)的波能發(fā)電裝置，國內(nèi)目前仍沒有系統(tǒng)完善的研究。柔性體在運動流體誘發(fā)下的耦合運動不單與來流的速度、方向有關(guān)，還受到固體結(jié)構(gòu)本身密度和彈性材料特性的影響。該問題的求解同時涉及到流體力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和計算力學(xué)等學(xué)科的知識，研究難度較大。而且多個柔性體在流體中的耦合運動，在傳統(tǒng)的流固耦合問題基礎(chǔ)上又增加了固體和固體之間的運動耦合機(jī)制。固體之間的個體差異以及多個固體的排列方式和排列間距都會對耦合運動產(chǎn)生影響。復(fù)雜流場的描述本身就是個難點，柔性體與非均勻流場的流固耦合問題更具難度。尤其是波浪與安置的海上柔性結(jié)構(gòu)物(如養(yǎng)殖網(wǎng)箱、近岸的植物群等)的相互作用問題具有更廣泛的應(yīng)用背景，柔性結(jié)構(gòu)在波浪作用下的振動響應(yīng)問題更值得研究和探討。養(yǎng)殖網(wǎng)箱是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)，Tsukrov等[1]構(gòu)造了一致性單元來模擬網(wǎng)面在海洋環(huán)境載荷作用下的響應(yīng)。Fredriksson等[2]對碟型網(wǎng)箱在水中上下振動的問題作了試驗研究和數(shù)值模擬。詹杰民和蘇煒等對作用在網(wǎng)面以及圓形網(wǎng)箱上的來流阻力進(jìn)行了試驗研究,為優(yōu)化網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)[3-4]。李玉成等[5-7]對碟形及擬碟形網(wǎng)箱的受力特性進(jìn)行了系列試驗研究，為網(wǎng)箱設(shè)計及結(jié)構(gòu)形式的選擇提供了依據(jù)。防浪林是一種值得關(guān)注的柔性結(jié)構(gòu)。白玉川和楊建民[8-9]進(jìn)行了植物消浪護(hù)岸模型試驗研究，得出消浪系數(shù)與植物主要影響因素之間的定量關(guān)系。黃本勝等[10]介紹了三角洲河口堤外灘地種植適生防浪樹的實踐與經(jīng)驗，及其固灘固岸、防浪護(hù)堤的作用和效果。

迄今為止，國內(nèi)對于海洋環(huán)境下柔性結(jié)構(gòu)波能發(fā)電裝置的研究，尚未建立起較完善的設(shè)計體系，研究成果距離實際工程需要相差甚遠(yuǎn)。隨著水彈性力學(xué)在海岸和近海工程中的發(fā)展，迫切需要開展系統(tǒng)深入的研究工作來分析海上柔性結(jié)構(gòu)物在波浪沖擊作用下的受力情況和動力響應(yīng)。

本文基于脈搏脈動機(jī)理，設(shè)計發(fā)明了一種柔性膠囊波能發(fā)電裝置，并基于上述波浪能發(fā)電理念進(jìn)行了一系列的探索性試驗，對比研究了柔性材料厚度、波高、周期、氣室孔徑等條件對波浪能轉(zhuǎn)換率的影響。

本實驗裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，有比較明顯的優(yōu)點：1)利用硅膠較好的彈性，很大程度上提升了波浪的振幅，從而大大提升了波浪能的吸收率；2)本實驗裝置中的主體采用柔性極強(qiáng)的硅膠管，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，成本低廉，耐腐蝕性強(qiáng)，維護(hù)成本低，長期運行可靠，并且大大降低了成本；3)橡膠管膨脹波與管尾匯集波大大增加了波浪能量，即便在小波浪的條件下運行，也會有很高的效率；4)該實驗裝置可以與防波堤結(jié)合使用，將柔性結(jié)構(gòu)布置在防波堤之前，能起到很好的消波作用，有效緩解了防波堤的負(fù)擔(dān)。

1 柔性材料厚度的選取

本試驗選用硅橡膠作為柔性材料，它是一種合成特種橡膠材料，硅橡膠具有特殊的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的性能，在橡膠家族中占據(jù)重要的地位。與一般以C-C鍵為主體骨架的橡膠相比，硅橡膠以鍵為主鏈，其鍵能高，具有飽和性，因而比較穩(wěn)定。正是由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，它具有耐高溫(180℃～200℃)、耐低溫(-40℃～60℃)，耐臭氧老化、耐高電壓(擊穿電壓為20～25kV/mm)、耐輻射，良好的生理穩(wěn)定性和極佳的回彈性以及永久變形小(200℃、48小時不大于50%)的性質(zhì)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

柔性材料的厚度是該實驗裝置設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，材料過薄會經(jīng)常破損，不利于試驗的進(jìn)行，過厚會導(dǎo)致硅膠管柔性偏小，不能很好地與水體發(fā)生共振，聚波效果不好，因此需要進(jìn)行試驗對比研究進(jìn)而選取出一個比較好的柔性材料厚度。

本試驗擬選取四種厚度的硅橡膠進(jìn)行柔性膠囊的制作和試驗并進(jìn)行對比選擇，四種厚度分別為：0.2、0.5、0.7及1 mm，密度均為1.30g/cm3。分別裁剪出長度為10 cm、寬度為1、2及3 cm的硅橡膠條，用萬能實驗機(jī)對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，拉伸速度為(500±50)mm/min，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 硅膠力學(xué)性質(zhì)表Tab.1 The mechanical properties of rubber

由不同厚度的硅膠力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果可知，隨著硅膠厚度的增大，硅膠的斷裂伸長率呈減小趨勢，但極限負(fù)荷呈增大趨勢。即越厚的硅膠能承受越大的力但受到相同力時伸長率越小。試驗用柔性膠囊的制作中發(fā)現(xiàn)，0.2 mm厚的硅膠在與固體結(jié)構(gòu)接觸時很容易劃破，不適用于本試驗，故舍棄0.2 mm厚硅膠材料。試驗過程中，0.5 mm厚的硅膠材料出現(xiàn)接口處破裂等問題的頻率較高，故舍棄0.5 mm厚硅膠材料，1 mm的硅膠材料厚度過大，變形較小，彈性不太理想，不利于試驗，綜合比較，本實驗選用0.7 mm厚度的柔性結(jié)構(gòu)。

2 試驗裝置和方法

圖1 柔性膠囊波能發(fā)電裝置Fig.1 Flexible capsule wave energy generation device

試驗在波浪水槽中進(jìn)行。水槽長、寬、高分別為90.0 m、2.0 m、1.8 m，造波機(jī)系統(tǒng)為雙軸推板式造波機(jī)，采用NI公司生產(chǎn)的PCI-7342型運行控制卡裝配主控計算機(jī)，兩塊造波板由兩臺交流伺服電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)同步控制，可按給定函數(shù)造出規(guī)則波或非規(guī)則波，本實驗在規(guī)則正弦波浪下進(jìn)行。另一端為長2 m的不銹鋼切屑消波段。消波段前是試驗段，氣室模型裝在試驗段末端。

本實驗裝置是一種柔性膠囊發(fā)電裝置(如圖1所示)，包括底部基床，高10 cm，鋪設(shè)在基床上的硅膠管，是一個直徑30 cm，長650 cm的半圓柱體以及與硅膠管相連傳輸水體的豎管，豎管是一個直徑為30 cm、高120 cm的圓柱體，豎管上方設(shè)有開孔，開孔孔徑可以根據(jù)需要進(jìn)行變化，實驗水深為1 m。所述柔性結(jié)構(gòu)的硅膠管具有很強(qiáng)的收縮性，它隨著波峰波谷收縮擴(kuò)張，形成脈動來傳輸水體，使相連尾端豎管內(nèi)水位隨著脈動驟升驟降來壓縮排出和快速吸入空氣。所述硅膠管密封鋪設(shè)于基床上，基床固定于水底，豎管下部彎至水平與硅膠管相連，波浪作用于密閉的裝滿水的硅膠管上。

試驗之前先進(jìn)行濾波，在距造波板8 m處裝有電容式波高儀，測量入射波參數(shù)；試驗中在氣室模型頂部安裝有電容式波高儀，用于測量豎管內(nèi)水位的變化，氣室模型頂部有測壓口，用低壓力傳感器測量氣室內(nèi)相對壓力。全部測量用計算機(jī)控制。試驗時，根據(jù)試驗要求，將所需的造波機(jī)參數(shù)輸入計算機(jī)，造波機(jī)即可造出所需的波況。根據(jù)測得的入射波波高H0、入射波周期T、氣室內(nèi)壓力ΔPi和內(nèi)水位Hi的波動過程，即可算出入射波功率NW(W)、氣室平均輸出氣流功率NA(W)和氣室波能轉(zhuǎn)換效率ηA等參數(shù)。

圖2 試驗裝置布置Fig.2 The layout of test device

氣室平均輸出氣流功率NA(W)[11]為：

式中：ΔPi為第i點氣室內(nèi)相對壓力(Pa);hi+1和hi為第i+1和i點氣室內(nèi)水位；F為氣室截面積(m2);n為采樣點總數(shù)；Δt為采樣時間間隔(s)。

入射波功率NW(W)為：

氣室波能轉(zhuǎn)換效率ηA為：

3 試驗內(nèi)容

3.1無氣室時氣室性能試驗

在氣室完全開孔的情況下進(jìn)行一系列試驗，對無輸氣管(即頂部開敞)的氣室而言，其波能俘獲能力可由氣室內(nèi)的振蕩水柱波面升沉的波幅所反映。振蕩水柱的波幅越大，氣室內(nèi)外的相對壓強(qiáng)也越大，由此產(chǎn)生的往復(fù)氣流的平均流速也就越大，因此振蕩水柱波幅的大小，可反映氣室波能轉(zhuǎn)換能力，波幅越大，波能轉(zhuǎn)化率越高。

在氣室完全開孔情況下分別進(jìn)行兩組試驗，一組是保持周期不變，改變波高的大小；另一組是保持波高不變，改變周期的大小。試驗結(jié)果由無量綱相對波高(豎管內(nèi)水位振幅的變化/豎管外水位振幅的變化)來表示。

3.2變波高變周期下氣室性能試驗

在氣室孔徑d=2.4 cm的情況下進(jìn)行一系列試驗，波周期T=1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 s,共有6個變化，入射波高H=0.08、0.11、0.14、0.17、0.20 m,共有5個變化。共進(jìn)行30組試驗，進(jìn)而分析氣室波能轉(zhuǎn)換效率ηA隨波高和周期的變化情況。

3.3變氣室孔徑下氣室性能試驗

在改變氣室孔徑下進(jìn)行一系列試驗，氣室孔徑共有d=1.6、2.0、2.4、2.8、3.4五組變化，在每個孔徑下進(jìn)行兩組試驗，一組是周期不變，改變波高的大小，另一組是波高不變，改變周期的大小，以此來探討氣室孔徑對氣室性能的影響。

4 試驗結(jié)果與分析

圖3、圖4分別為入射波周期為2.5 s，入射波高為0.14 m時豎管內(nèi)水位、壓強(qiáng)隨時間的變化情況。由圖3、圖4可以看出，其均為規(guī)則的正弦曲線。圖4所示為無氣室時氣室性能試驗結(jié)果，左圖為入射波高保持不變，改變?nèi)肷洳ㄖ芷诘拇笮。鄬Σǜ?即豎管內(nèi)波高與豎管外波高的比值)隨入射波周期的變化情況，右圖為入射波周期不變，改變?nèi)肷洳ǜ叩拇笮?，相對波?即豎管內(nèi)波高與豎管外波高的比值)隨入射波高的變化情況。由圖5(a)左圖可以看出，相對波高隨著入射波周期的增大而增大，在入射波周期由1.5至4.0 s情況下，相對波高由1增加到3，在T=3 s左右達(dá)到峰值，之后保持不變，說明硅膠管的收縮性還是起到了一個很好的聚波作用；圖5(b)可以看出，相對波高并不會隨著入射波高的變化而變化，在入射波周期為2.5 s時，相對波高維持在2.3左右。

圖3 豎管內(nèi)水位隨時間的變化情況Fig.3 The change of water depth in the tube

圖4 豎管內(nèi)壓強(qiáng)隨時間的變化情況Fig.4 The change of pressure in the tube

圖5 無氣室時裝置試驗結(jié)果Fig4. Test results of device without air chambers

表2和圖6所示在氣室孔徑為2.4 cm的情況下，入射波能轉(zhuǎn)換率隨波高和周期的變化情況，由圖5可以看出，在不同入射波高情況下，轉(zhuǎn)換率隨周期的變化規(guī)律大致相同，類似于一個拋物曲線，在短周期區(qū)，入射波能轉(zhuǎn)換率ηA隨著周期的增大而不斷增加，由10%左右增加到50%，在周期T=2.5 s時達(dá)到峰值，之后隨著入射波周期的增大，ηA不斷減小，在T=3.5 s時降到最低谷，然后隨著T的增大，ηA又緩慢上升?？偟膩碚f，入射波周期T對入射波能轉(zhuǎn)換率ηA有較大的影響，先是隨著周期T增大而不斷增大，在T=2.5 s時達(dá)到最佳轉(zhuǎn)換率，之后隨著周期T增大而不斷減小，在T=3.5 s達(dá)到谷底，之后隨著周期T的增加而略有上升。在不同波高下，ηA-T曲線的變化情況大致相同。

表2 入射波能轉(zhuǎn)換率隨波高和周期的變化情況 %Tab.2 The changes of wave energy conversion rate with wave height and period %

圖6 入射波能轉(zhuǎn)換率隨波高和周期的變化情況Fig.6 The changes of wave energy conversion rate with wave height and period

圖7 入射波能轉(zhuǎn)換率隨氣室孔徑的變化情況Fig.7 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture

表3和圖7所示為入射波周期T=2.5 s固定不變時，改變?nèi)肷洳ǜ吆蜌馐铱讖降拇笮。肷洳苻D(zhuǎn)換率的變化情況，由以上可知，氣室孔徑為2.0 cm時，波能轉(zhuǎn)化率總體最好，在大孔徑時(d=2.8和3.4 cm)，入射波能轉(zhuǎn)換率隨著入射波高的增大先有所增大，到達(dá)頂端后又隨著入射波高的增大而減小，在小孔徑時(d=1.6、2.0和2.4 cm)，入射波能轉(zhuǎn)化率隨著入射波高的增大而不斷減小。在孔徑(d=2.0及2.4 cm)時，波能轉(zhuǎn)換效果比較好，最高能達(dá)到65%左右。

表3 入射波能轉(zhuǎn)換率隨氣室孔徑的變化情況 %Tab.3 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture %

表4和圖8所示為入射波高H=0.14 m固定不變時，改變?nèi)肷洳ㄖ芷诤蜌馐铱讖降拇笮?，入射波能轉(zhuǎn)換率的變化情況，由以上可知，氣室孔徑變化時，入射波能轉(zhuǎn)換率隨周期的變化情況大致相同，先是隨著周期的增大而增大，在T=2.5 s時轉(zhuǎn)換率達(dá)到最大，而后又隨著周期的增大而減小，在T=4.0 s時，轉(zhuǎn)換率又有所上升?？偟膩碚f，在長周期區(qū)，轉(zhuǎn)換率的變化要比短周期區(qū)要緩慢，在T=2.5 s時，效率最高，氣室孔徑d=2.0、2.4和2.8 cm時，轉(zhuǎn)換效率比較高，孔徑過大和過小都會影響入射波能轉(zhuǎn)換效率。

表4 入射波能轉(zhuǎn)換率隨氣室孔徑的變化情況 %Tab.4 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture %

圖8 入射波能轉(zhuǎn)換率隨氣室孔徑的變化情況Fig 8 The changes of incident wave energy conversion rate with chamber aperture

5 結(jié) 語

1) 無氣室(即頂部開敞)時，豎管內(nèi)的波高要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于豎管外的波高，相對波高的大小受入射波周期影響較大，在入射波周期由1.5 s至4.0 s情況下，相對波高由1增加到3，在T=3 s左右達(dá)到峰值，之后保持不變，說明橡膠管起到了很好的聚波作用；

2) 入射波周期T對入射波能轉(zhuǎn)換率有較大的影響，在不同的入射波高情況下，入射波能轉(zhuǎn)換率隨波周期的變化情況大致相同，先是隨著周期T增大而不斷增大，在T=2.5 s時達(dá)到最佳轉(zhuǎn)換率，之后隨著周期T增大而不斷減小，在T=3.5 s達(dá)到谷底，之后隨著周期T的增加而略有上升。

3) 在大孔徑時(d=2.8和3.4 cm)，入射波能轉(zhuǎn)換率隨著入射波高的增大先有所增大，到達(dá)頂端后又隨著入射波高的增大而減小，在小孔徑時(d=1.6、2.0及2.4 cm)，入射波能轉(zhuǎn)化率隨著入射波高的增大而不斷減小。在孔徑d=2.0及2.4 cm時，波能轉(zhuǎn)換效果比較好，最高能達(dá)到65%左右。

4) 氣室孔徑過大或者過小都會影響入射波能的轉(zhuǎn)換，在氣室孔徑d=2.0 cm時，氣室轉(zhuǎn)換效率最好，不同孔徑時，入射波能轉(zhuǎn)換率隨入射波周期的變化情況大致相同，都類似于一個拋物曲線，在T=2.5 s時效率最佳。

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[11] 梁賢光，孫培亞,游亞戈.汕尾100 kW波力電站氣室模型試驗[J].海洋工程，2003,21(1)：113-116.(LIANG Xianguang,SUN Peiya,YOU Yage.Performance experiment of Shanwei 100 kW wave power station’s air-room[J].The Ocean Engineering,2003,21(1)：113-116.(in Chinese))

Flexible capsule model tests on the ocean wave energy generation system

YANG Wu,BAI Zhigang,YU Haitao,MA Xuan,ZANG Ying,CHEN Cheng,DAI Lei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.012

白志剛。 E-mail：zhigangbai@tju.edu.cn

1005-9865(2016)05-0101-08

2016-02-01

天津市自然科學(xué)基金——海洋柔性膠囊波能發(fā)電系統(tǒng)實驗研究與系統(tǒng)仿真(12JCZDJC29100)

楊武(1991-)，男，江蘇人，碩士研究生，主要從事波浪能儲量評估研究工作。