基于康达效应的射流冲击式压电俘能机理与实验研究

发布时间：2020-05-30 08:41

【摘要】：气动技术因具有输出推力大、结构简单、清洁无污染等优点,在工业生产中有着广泛的应用。随着工业集成化的战略需求日益深入,通常需要引入大量传感器对其各功能部件进行监测,以保证气动系统持续、可靠的协同工作,这使得传感器的持续供能问题成为了亟待解决的关键技术。本文基于康达效应放大气动系统排出的小流量压缩气体的流量,设计射流冲击式压电俘能器,实现气动系统能量到电能的转换,提高其能量转换效率,具体研究内容如下:首先,结合康达效应的理论模型,分析了康达效应产生的机理及流体流态对康达效应的影响规律。然后,建立了悬臂梁式压电俘能器能量转化的理论模型,分析了压电俘能器的俘能机理,理论研究了悬臂梁压电振子在冲击载荷作用下的应力及应变分布。最后,结合压电理论,分析了压电俘能器的电输出特性。利用FLUENT仿真分析软件仿真分析了空气放大器内部以及射流口处的流场分布,确定了空气放大器的结构与尺寸。利用COMSOL仿真分析软件仿真分析了冲击载荷作用下压电振子表面的应力、应变分布以及电势分布,研究了不同尺寸压电振子在多种均布载荷作用下的电压输出规律。研究结果表明当压电振子的长度和力载荷增加时,压电振子的输出电压逐渐增大。设计并研制了圆形扰流板结构与翼型扰流板结构两种射流冲击式压电俘能器实验样机。其中,通过在悬臂梁压电振子的自由端增加了圆形扰流板,增大气流冲击载荷作用下悬臂梁压电振子的形变量,提高压电振子的能量转化效率。对于射流冲击式翼型扰流板压电俘能器,通过建立翼型扰流板上下表面压力分布的数学模型,理论研究气流参数对翼型扰流板颤振状态的影响规律。搭建了压电俘能器样机实验测试系统,开展了样机输出特性实验研究。实验结果表明:随着气体流量的增大,压电俘能器输出开路电压呈现上升趋势;而随着气体压力的增大,压电俘能器输出开路电压呈下降趋势。具体为:圆形扰流板压电俘能器输出开路电压的最大值为25.07 V,输出最大瞬时功率可以达到19.89μW。翼型扰流板压电俘能器输出开路电压的最大值为23.33 V,输出最大瞬时功率可以达到13.06μW。
【图文】：

压电振子,柔性,结构示意图,无线传感器

图 1.12 柔性压电振子结构示意图da 等人提出了一种柔性结构的压电俘柔性的压电薄膜振动，实现风能的俘张力以及扰流板对压电俘能装置输出一种收集空气弹性振动能量的压电俘材料连接而成。俘能器由两层压电陶励信号作用下压电俘能器的运动方程电俘能器的响应特性，丰富了压电俘在的问题系统的无线传感器的研究已较为深入布于气动系统各个角落的无线传感器统中大量无线传感器持续可靠的供能需探索面向气动系统中无线传感器能

电势分布,压电振子,悬臂梁结构,结构示意图

引言压电振子的材料和结构形式多种多样，气动系统排出的小流量压缩气体经由器对流量进行放大后，射流冲击作用在压电振子上会引起压电振子快速、大机械变形。因此，我们选用悬臂梁式固定的 PVDF 薄膜制作压电振子。本章悬臂梁式压电振子的数学模型，分析悬臂梁压电振子在射流冲击载荷作用下特性，，仿真分析悬臂梁式压电振子的电势分布。悬臂梁式压电振子理论分析.1 射流冲击式悬臂梁压电振子俘能原理压电振子的结构包含多种形式以满足不同场合的需求，PVDF 薄膜是一种柔材料，可以承受较大的机械应变。悬臂梁压电发电装置具有结构简单，在低易于产生谐振并可输出较高的电能等优点。本论文结合射流流体流速快，冲点，选用悬臂梁式 PVDF 压电薄膜进行研究，其结构如图 3.1 所示。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH138

【参考文献】