压电悬臂梁模型在流体中的尾流及能量采集研究

摘要

压电悬臂梁以其较简单的结构形式以及突出的力电耦合特性被广泛应用于各种传感器、作动器以及俘能器结构中。当其工作环境中存在流体时，除了考虑力电耦合作用外，还需要考虑流体的影响。
　　本文主要以压电悬臂梁模型为研究对象，针对其在流体中的尾流以及能量采集方面展开一定的研究。在研究悬臂梁尾流时，首先通过流体动力函数以及逆压电效应乐甫算子计算流体以及压电片对悬臂梁的作用力，采用模态扩展法给出悬臂梁在流体中的动态响应求解过程，并结合面元法自由尾流模型分析流体密度、粘性以及流速对压电悬臂梁的影响。随后针对不同模态作动器和分段式作动器研究不同共振状态以及作动电压对悬臂梁尾流的影响。在利用压电悬臂梁采集流体能量方面主要是利用阻流板尾流中变化的流场激励压电悬臂梁发生振动，从而将流体能量转变为相应的电能。这部分研究过程中首先采用沉浸边界法描述流体和悬臂梁的相互作用力，并通过模态扩展法求解悬臂梁在流体的动态响应，结合正压电效应分析压电悬臂梁开路条件下压电片电压信号以及内部产生的能量。随后采用纯电阻作为外部负载的情况，给出闭路条件下压电悬臂梁俘能器输出电压及有效功率。具体分析过程中给出了不同风速以及阻流板倾斜角度条件下能量输出情况，并针对共振情况下，对压电片粘贴长度进行优化分析。论文最后通过实验首先对压电悬臂梁能量采集理论进行验证，并针对本论文的提出的压电风能俘能器展开了相应实验研究。

目录

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致谢

摘要

附图列表

表格列表

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 尾流研究现状

1．2．2 压电能量采集及其在流体能量采集中的应用

1．3 论文主要内容及结构

1．3．1 论文主要内容

1．3．2 论文结构

第2章 悬臂梁在压电作动器激励下的尾流

2．1 引言

2．2 压电悬臂梁在流体中的动态响应

2．2．1 压电悬臂梁在流体中的动态方程

2．2．2 模态作动器和分段式作动器的作动机理

2．3 压电悬臂梁尾流

2．3．1 非定常面元法

2．3．2 自由尾流模型

2．3．3 点涡增加及涡核半径扩散过程

2．4 算例分析

2．4．1 流体密度及粘性对压电悬臂梁的尾流的影响

2．4．2 流速对压电悬臂梁尾流的影响

2．4．3 作动器类型对压电悬臂梁尾流的影响

2．4．4 作动电压对尾流结构的影响

2．5 本章小结

第3章 压电俘能器在阻流板尾流中的电压信号建模

3．1 引言

3．2 悬臂梁在阻流板尾流中的动态响应

3．2．1 流场求解

3．2．2 悬臂梁动态响应求解

3．3 压电悬臂梁传感电压信号

3．4 本章小结

第4章 压电悬臂梁俘能器能量采集分析及优化

4．1 引言

4．2 压电悬臂梁俘能器能量采集分析

4．2．1 压电悬臂梁俘能器开路情况下能量分析

4．2．2 压电悬臂梁俘能器闭路情况下能量输出分析

4．3 算例分析

4．3．1 不同共振模态下压电片长度对俘能器能量采集的影响

4．3．2 压电片厚度对俘能器能量采集的影响

4．3．3 风速及阻流板倾角对风能采集的影响

4．4 本章小结

第5章 压电悬臂梁俘能器能量采集实验研究

5．1 引言

5．2 压电悬臂梁能量理论实验验证

5．2．1 压电悬臂梁能量理论实验设置

5．2．2 压电悬臂梁能量理论与实验对比

5．3 压电悬臂梁渠俘能器风能采集实验

5．3．1 风洞设计与制造

5．3．2 压电悬臂梁俘能器在阻流板尾流中能量采集实验

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

附录

个人简介

攻读硕士学位期间科研成果