流场中基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置的实验与仿真分析

发布时间：2023-04-25 04:17

　　因为海洋环境复杂多变面积广阔,所以一般情况下监测海洋参数的低功耗传感器投放后不再回收,而普通的化学电池容量有限体积较大,无法满足传感器长时间工作的需求。海洋环境中蕴含大量振动能量,所以利用压电材料的压电效应将洋流中巨大的振动能量转化为电能给传感器充电成为近年来研究者关注的热点。海洋环境中有多种振动方式,但普遍为随机振动,而卡门涡街效应作为流体中普遍存在的现象,可以激发柔性压电材料周期性振动,为电信号的后续处理带来了极大的便利。首先,利用压电悬臂梁的分布式参数模型对悬臂梁俘能器的振动发电机理做出阐释,发现俘能器的设计中基板材料的属性及基板的厚度对俘能器的发电效果有一定影响。之后利用湿模态分析,对不同流体介质包裹下的悬臂梁俘能器的特性作了进一步研究,发现流体介质的密度可以调节俘能器的固有频率及内阻抗。其次,建立了单层网格的数值仿真模型,通过结构化网格划分,确定了符合模型的网格参数。通过仿真计算发现,刚性挡板的长度及安放位置对涡街脱落的频率及旋涡强度有明显影响,为之后的研究提供了数据与经验支持。随后建立了超弹性体的单层网格流固耦合分析模型,验证了模型的可行性,通过仿真发现钝体形状对于弹性体的...

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 振动能量收集器研究现状
        1.2.2 涡激振动理论及研究现状
        1.2.3 涡街激励能量收集器研究现状
    1.3 当前研究中存在的问题
    1.4 本文的主要研究内容
第二章 压电悬臂梁俘能器数学模型的建立与仿真分析
    2.1 压电悬臂梁分布参数模型的建立
        2.1.1 压电俘能器分布参数动力学模型
        2.1.2 压电俘能器的等效电路模型
        2.1.3 压电悬臂梁基板厚度对俘能器发电的影响
    2.2 压电悬臂梁俘能器的湿模态分析
        2.2.1 湿模态分析有限元模型及相关参数
        2.2.2 湿模态分析结果
    2.3 本章小结
第三章 固定挡板对卡门涡街效应影响的数值模拟
    3.1 CFD数值模拟流程概述
    3.2 计算模型的控制方程及相关参数
        3.2.1 流体力学控制方程
        3.2.2 圆柱绕流相关参数
    3.3 Fluent离散方程及求解模型选择
        3.3.1 Fluent离散方程
        3.3.2 求解模型的选择
    3.4 仿真模型的前处理
        3.4.1 流体域模型的建立
        3.4.2 流体域网格划分
    3.5 数值模拟结果及分析
        3.5.1 挡板长短对涡街脱落的影响
        3.5.2 挡板位置对涡街脱落的影响
    3.6 本章小结
第四章 基于卡门涡街效应的柔性挡板流固耦合分析
    4.1 流固耦合理论及流程概述
        4.1.1 流固耦合的分类
        4.1.2 流固耦合过程中的数据传递及迭代过程
    4.2 动网格理论
    4.3 柔性挡板流固耦合分析前处理
        4.3.1 结构模型及边界条件
        4.3.2 网格划分
    4.4 计算结果分析
        4.4.1 柔性挡板变形分析
        4.4.2 网格变形分析
        4.4.3 升、阻力系数分析
        4.4.4 时间步验证
    4.5 本章小结
第五章 基于卡门涡街效应的柔性压电片数值模拟及实验研究
    5.1 流-固-电三场耦合原理及数值模拟结果
    5.2 实验器材及其简介
    5.3 实验步骤
    5.4 实验结果及分析
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间的研究成果
致谢



本文编号：3800687