小型振动压电发电机气流致振激励技术及其实验研究

摘要

小型振动压电发电机是一种利用弹丸飞行过程中迎面气流激励喷注管内压电晶体产生电能的压电发电机，具有结构简单、体积小、换能效率高等特点。论文以“小型振动压电发电机”为研究对象，针对机械激励系统的气流致振技术，在课题组前期研究的基础上，重点开展喷注管内流场性能及其气流致振激励机理研究，设计振动压电发电机气流致振激励源频率泵浦机械结构。
　　首先，结合课题研究背景，提出本文机械激励系统的气流致振技术的关键问题。结合气动技术在引信中的应用和Hartmann共振管在国内外的研究现状及其应用，设计一种气流致振压电发电机的喷注管机械结构。
　　其次，基于计算流体动力学理论，分析喷注管结构的喷嘴内部形线、共振腔长度、喷嘴到共振腔的间距、中心柱直径以及中心柱长度等尺寸参数对喷注管内湍流场和气流激励共振腔底部的影响，为实验室模拟提供了重要的参考依据。
　　最后，通过实验室空压机模拟试验，分析喷注管结构的喷注口速度、共振腔长度、喷嘴到共振腔的间距等三个主要尺寸参数对压电换能器输出特性的影响。实验数据表明，这三个尺寸参数对喷注管机械结构的发电性能有很大影响，对结构设计有指导意义。
　　本文的研究方法与结果，为气流致振压电发电机机械激励系统的气流致振技术研究与实验提供了一定的理论参考，为提高气流致振激励源频率泵浦能量采集的进一步研究和设计提供了参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文选题背景及研究问题

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 气流致振压电发电机工作原理及研究关键问题

1．2 气动技术在引信中的应用与发展

1．3 Hartmann共振管及其应用

1．3．1 Hartmann共振管的国内外研究现状

1．3．2 Hartmann哨的应用

1．4 本文的主要研究内容

2 气流致声管内流场湍流模型

2．1 计算流体动力学简介

2．2 适用于气流致声管内流湍流模型

2．2．1 流体控制方程

2．2．2 湍流的数值模拟方法

2．3 气流致声管内流场数值模拟方法

2．3．1 内流场控制方程的离散方法

2．3．2 内流场网格划分方式

2．3．3 内流场控制方程的离散格式

2．3．4 内流场边界条件的设置原则

2．4 本章小结

3 气致声喷注管计算流体及声学特性分析

3．1 中心柱哈特曼哨气致声源及其工作原理

3．2 气致声喷注管内流场数值分析

3．2．1 内流场数值模拟的步骤

3．2．2 喷注管内流场计算域和网格生成

3．3．3 喷注管内流场数值模拟的边界条件确定

3．3 中心柱气致喷注管内声波压力分布

3．4 收缩喷嘴内部流道形线设计

3．5 气致声源的声学特性分析

3．5．1 共振腔长度对腔底部压力的影响

3．4．2 共振腔与喷注口的距离对腔底部压力的影响

3．4．3 中心柱结构参数对腔底部压力的影响

3．5 本章小结

4 输出电能空压机模拟实验结构

4．1 实验喷注管结构设计

4．1．1 喷嘴及套筒一体化结构

4．1．2 共振腔

4．1．3 中心柱

4．1．4 压电晶体

4．1．5 收缩喷嘴共振腔一体化构设计

4．2 空压机气源实验系统设计

4．2．1 声波压力和输出电能测试实验流程图

4．2．2 实验用仪器参数

4．3 气致声激励振源压电换能输出特性测试实验

5 气致声压电发电机输出电能实验

5．1 喷注口气流速度对声振动特性影响

5．1．1 喷注口气流速度对喷注管振动压强及频率的影响

5．1．2 喷注口气流速度对压电换能器输出特性的影响

5．2 喷嘴到共振腔的距离对喷注管声振动特性影响

5．2．1 喷嘴到共振腔的距离对喷注管振动压强及频率的影响

5．2．2 喷嘴到共振腔的距离对压电换能器输出特性的影响

5．3 共振腔长度对喷注管声振动特性影响

5．3．1 共振腔长度对喷注管振动压强及频率的影响

5．3．2 共振腔长度对压电换能器输出特性的影响

5．4 实验误差来源及处理措施

5．5 本章小结

6 总结和展望

6．1 本文主要工作及成果

6．2 本文创新点

6．3 后续工作及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况