鳍型附件对悬臂梁压电换能器风致振动及能量收集的影响

摘要

随着微机电系统和低功耗嵌入式技术的快速发展，无线传感器网络（WSNs）的应用得到了大幅增加。WSNs由大量静态传感器节点组成，节点大多布置在偏远和恶劣的地形中，由于传统电池一次所能储备的能量有限，大大影响设备的正常工作时长，难以满足WSNs的功能需求。因此，从环境中收集能量实现电子设备的自供能具有非常重要的研究价值和实际应用意义。本论文基于钝体-悬臂梁式风致振动压电俘能装置，采用实验测试和数值模拟相结合的方法，研究了对称安装于圆柱表面的鳍型附件FSR（Fin-shaped rods）对俘能装置能量收集效率的影响。详细分析了鳍型附件的几何特征参数及其安装角度对圆柱风致振动系统振幅、频率、气动力、尾涡形态变化规律和能量收集的影响。　　鳍型附件对圆柱风致振动响应及风能收集的影响研究表明：（1）压电风致振动能量收集装置的输出电压随着负载电阻的增加而增加，输出功率随着负载电阻的增加呈现先增加后减小的规律，本文能量收集装置的最佳外接负载电阻为200kΩ。（2）鳍型附件的安装角度会影响流动分离点的位置，进而影响柱体的尾流结构和气动力大小，根据柱体振动响应和能量收集特性，将FSR安装角度分为三个区域：0°-70°（区域Ⅰ）、70°-120°（区域Ⅱ）和120°-150°（区域Ⅲ）。在所研究安装角度范围内观察到了柱体出现驰振和涡致振动-驰振现象。当风速为6.80m/s、FSR安装角度为50°（区域Ⅰ）、高度为0.20D时，FSR圆柱最大振幅、电压和功率分别达到了2.17D、18.10V和1.65mW。（3）明确FSR安装角度对振动响应和能量转换特性的影响后，针对区域Ⅰ内不同FSR覆盖角度进行研究，发现不同覆盖角度的鳍型附件也会影响流动分离点的位置，进而影响旋涡脱落。当FSR安装角度为30°时，随着FSR覆盖角度的增大，旋涡脱落频率增加。不同覆盖角度的鳍型附件会影响区域Ⅰ的范围，覆盖角度较大时，柱体在FSR安装角度较小时具有更好的振动和能量收集特性；而当FSR覆盖角度较小时，在大安装角度下柱体也具有良好的振动和能量收集效果。当FSR安装角度为60°、鳍型附件高度为0.27D、覆盖角度为20°时，装置能量输出特性最佳，最大电压和功率分别可达19.70V和1.90mW。（4）基于FSR安装角度和覆盖角度对风致振动响应和能量转换特性的影响研究结果，进一步讨论了不同高度的鳍型附件对装置性能的影响。研究结果表明鳍型附件高度不会影响边界层分离点的位置，但是会影响柱体的尾涡脱落频率和尾流宽度。随着FSR高度的增加，柱体的振幅和能量输出先增加后减小，在高度H=0.33D时，风致振动能量收集装置的振动和能量转换效果最佳，最大振幅、电压和功率分别可达2.30D、19.80V和1.96mW。　　基于具有鳍型附件的圆柱风致振动响应及其能量转换特性研究表明，采用被动控制方法能够有效提高钝体-悬臂梁式风致振动压电俘能装置能量收集效率。鳍型附件能提高俘能装置能量收集效率，FSR安装角度位于流动分离效果较好的区域I时，最大输出功率能达到1.96mW，这已能够满足微型传感器节点的功率需求。同时，FSR覆盖角度的选取应该遵循以下规律：大安装角度选取小覆盖角度，小安装角度选取大覆盖角度。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 流致振动研究现状

1.2.1 涡致振动研究现状

1.2.2 驰振研究现状

1.3 流致振动能量收集研究现状

1.3.1 涡致振动能量收集

1.3.2 驰振能量收集

1.4 本文主要研究工作

2 风致振动实验系统及数值计算

2.1 振动系统物理模型

2.2 实验系统

2.3 自由衰减实验

2.4 振动系统数学模型

2.5 数值计算方法

2.6 本章小结

3 鳍安装角度对风致振动响应和能量收集的影响

3.1 引言

3.2 负载电阻对能量收集特性的影响

3.3.1 振动响应

3.3.2 频率响应

3.4 不同安装角度下圆柱气动力响应分析

3.5 不同安装角度下圆柱尾流流场分析

3.6 不同安装角度下风能能量收集特性

3.7 本章小结

4 鳍覆盖角度对风致振动响应和能量收集的影响

4.1 前言

4.2.1 振动特性

4.2.2 频率特性

4.3 覆盖角度对圆柱气动力的影响

4.4 覆盖角度对圆柱尾流流场的影响

4.5 覆盖角度对风能能量收集的影响

4.6 本章小结

5 鳍高度对风致振动响应和能量收集的影响

5.1 前言

5.2.1 振动响应

5.2.2 频率响应

5.3 鳍高度对圆柱气动力的影响

5.4 鳍高度对圆柱尾流流场的影响

5.5 鳍高度对风能能量收集特性的影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致 谢