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基于共振声学放大原理的涡激振动自发电装置设计与试验

发布时间:2018-11-17 07:29
【摘要】:为实现从自然环境中自动获取清洁能源,并给无线传感器和通讯模块供电,基于涡激振动及共振声学放大原理,设计了一种压电自发电装置。首先对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析;其次基于计算流体力学数值方法,对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析,以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。利用有限元软件ANSYS对压电悬臂梁复合结构的横向往复振动进行数值模拟,确定了复合结构的横向振动频率随板长L的变化规律。最后对位于该装置两侧的亥姆霍兹共振器的结构尺寸进行优化设计,以使流场的脱涡频率、压电悬臂梁复合结构的一阶横向振动频率和共振器的谐振频率达到一致,从而使压电发电装置产生共振并输出最大的电能。试验结果表明,涡激振动自发电装置在5 m/s的风速下可产生两相峰峰值为6.0 V的开路电压,且上述3个频率达到一致。4~6.25 m/s为该自发电装置的自锁风速区间,在此风速范围内,自发电装置均能产生较大的电压。
[Abstract]:In order to automatically obtain clean energy from natural environment and supply power to wireless sensors and communication modules, a piezoelectric self-generating device was designed based on the principles of vortex-induced vibration and resonance acoustic amplification. Firstly, the piezoelectric cantilever composite structure which is located in the self-generating device is analyzed. Secondly, based on the numerical method of computational fluid dynamics, the dynamic characteristics of the flow field under the condition of adding different plate lengths around the cylinder are analyzed, so as to clarify the influence of cantilever beam length on the frequency, lift force and drag coefficient of the cantilever beam. The transverse reciprocating vibration of piezoelectric cantilever composite structure is numerically simulated by finite element software ANSYS, and the variation law of transverse vibration frequency with plate length L is determined. Finally, the structure size of Helmholtz resonator located on both sides of the device is optimized to make the frequency of flow field devortex, the first order transverse vibration frequency of piezoelectric cantilever beam structure and the resonance frequency of the resonator consistent. Thus, the piezoelectric power generation device produces resonance and outputs the maximum electric energy. The experimental results show that the Vortex induced vibration self-generation device can produce an open-circuit voltage of 6.0 V with a peak of two phases at a wind speed of 5 m / s, and the three frequencies mentioned above are consistent. 40.6.25 m / s is the self-locking wind speed range of the self-generating device. In this range of wind speed, the self-generating devices can generate a larger voltage.
【作者单位】: 华南农业大学工程基础教学与训练中心;国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心;华南农业大学工程学院;华南农业大学数学与信息学院;
【基金】:国家重点研发计划项目(2016YFD0200700) 广东省自然科学基金项目(2015A030310182) 广东省科技计划项目(2016A020210092、2016A020210100)
【分类号】:TM619

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