基于不同剖面形状柱体流致振动的压电能量收集研究

摘要

环境中的多种能源都是能量收集的研究对象，如光、热、时均流和机械振动等。其中时均流能是一种储量巨大、分布广泛的能源，基于压电技术的时均流能量收集是一种被广泛看好的能量收集形式。在船舶等水上建筑物航行时其水下部分周围水流会产生一定的流速，其中蕴含巨大的能量，如何将这部分能量收集起来并加以利用，例如用于传感器等小型电子设备供电等，具有重要的研究价值。
　　本文首先对悬臂梁式压电能量收集装置建立了分布参数模型和集中参数模型。然后设计了基于流致振动的四种不同剖面立柱压电能量收集装置。利用尾流振子模型和升阻力经验模型结合有限元法对四种不同剖面形状的压电能量收集装置进行数值建模。计算结果表明，圆柱表现出良好的涡激振动特性，在来流速度0.24m/s时，圆柱获得最大振幅和输出电压，分别是0.032m和7.7V。方柱1和三角柱的振幅和输出电压都随来流速增大而增加，表现出明显的驰振特征。而方柱2在来流速度大于0.177m/s后其振幅和电压在0.045m和3.5V处上下波动，趋于稳定。这四种压电能量收集装置都具有良好的能量输出效率。设计并建造一座小型循环水洞，用于压电能量收集装置的流致振动实验研究。制定不同剖面形状柱体压电能量收集装置的流致振动实验方案，系统的对具有同一特征尺寸但不同剖面形状的圆柱、方柱1、方柱2、三角柱四种压电能量收集装置进行流致振动实验研究，得到了一些区别于单纯圆柱的流致振动规律和输出电能规律，对不同剖面柱体的能量收集效果进行了评估，探讨了剖面形状对柱体流致振动特性的影响。
　　实验中发现对于圆柱体，在实验流速范围下，圆柱体表现出了很好的涡激振动特性，在涡振锁频阶段，其压电能量收集装置输出电压特性表现良好，最大输出电压可达到7.5V，输出功率达到0.053mW，密度达到0.118W/m2。对于两个不同攻角的方柱体来说，方柱2在相同来流条件下表现比方柱1更为突出，因为方柱2迎流面具有尖锐的棱边，较方柱1更能表现出明显的流致振动特性，其表现为方柱2在来流速度0.167m/s过后输出电压稳定在3.5V左右。三角柱在低流速范围内，其振动的主导频率为接近于三角柱自身一阶固有频率的涡脱频率，说明三角柱比其他三种柱体在低流速范围内具有更高的能量转换效率。四种装置的振幅和输出电压实验结果均与数值计算结果吻合，说明利用尾流振子模型和升阻力经验模型结合有限元方法来模拟该种类型的压电能量收集装置的能量收集过程是可行的。
　　本文还提出一种内置悬臂梁式压电能量收集装置，该种能量收集装置具有防腐蚀、绝缘等优点，流致振动实验结果表明，该能量收集装置存在一个最佳匹配电阻，在来流速度为0.816m/s时，最佳匹配电阻680kΩ输出功率最大，为6.44μW。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 压电能量收集研究现状

1．3 流致振动研究现状

1．3．1 涡激振动型(Vortex-induced Vibration)

1．3．2 驰振型(Galloping)

1．3．3 颤振型(Flutter)

1．4 本文主要研究工作

第二章 能量收集装置的机电耦合理论

2．1 压电悬臂梁集总参数模型

2．2 压电悬臂梁分布参数模型

2．2．1 建模假设与双晶构型

2．2．2 双晶压电悬臂梁的耦合力学方程及模态分析

2．2．3 压电陶瓷层的耦合电路方程

2．3 压电陶瓷的串联

2．3．1 模态坐标下的耦合梁方程

2．3．2 耦合电路方程

2．4 压电陶瓷层的并联

2．4．1 模态坐标下的耦合梁方程

2．4．2 耦合电路方程

2．5 本章小结

第三章 流致振动能量收集有限元分析

3．1 有限元方法简介

3．2 压电能量收集装置模型建立

3．3 模拟结果分析

3．3．1 模态分析

3．3．2 圆柱

3．3．3 方柱1

3．3．4 方柱2

3．3．5 三角柱

3．4 本章小结

第四章 循环水洞的设计和建造

4．1 水洞的结构及应用概述

4．2 水洞的结构设计

4．2．1 整体设计方案

4．2．2 主要部段结构设计

4．3 水洞结构数值模拟优化

4．3．1 收缩段优化设计和选用原则

4．3．2 收缩段备选曲线介绍

4．3．3 收缩段设计数值模拟

4．4 小型循环水洞部分建造

4．4．1 入口段制作

4．4．2 实验段制作

4．4．3 出口下沉段制作

4．4．4 水槽与管道连接结构

4．5 实验段流速校核

4．6 本章小结

第五章 流致振动能量收集实验研究

5．1 自由振动衰减实验

5．2 四种不同剖面形状压电能量收集装置水洞实验

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验方案研究

5．2．3 实验相关参数说明

5．3 内置悬臂梁式压电能量收集装置水洞实验

5．4 本章小结

第六章 流致振动能量收集实验结果分析

6．1 实验数据处理流程

6．2 四种立柱实验结果分析

6．2．1 圆柱

6．2．2 方柱1

6．2．3 方柱2

6．2．4 三角柱

6．3 内置式实验结果分析

6．4 本章小结

第七章 总结

7．1 主要工作及结论

7．2 本文创新点

致谢

参考文献

硕士研究生在学期间发表的论文及学术成果