双圆柱涡激耦合振动下的压电俘能研究

发布时间：2017-08-16 03:25

  本文关键词：双圆柱涡激耦合振动下的压电俘能研究

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【摘要】：近年来,压电发电作为一种新型能源引起了人们的广泛关注。在自然界中振动无处不在,而压电材料可以将周围环境中的振动能量转化为电能,持续的输出能量。这就弥补了传统化学电池寿命有限的缺陷,降低了维修成本。其中,流致振动作为一种最常见的振动形式常被当做压电俘能器的能量来源。在以往的研究中,大都以单个压电俘能器作为研究对象,分析其俘能性能。但是,在实际应用中往往要在有限的区域内放置多个压电俘能器,来提高空间利用率及俘能效率。而多个俘能器之间的相互耦合作用对它们的俘能性能有很大的影响。本文以水中两个尺寸相同的俘能器为研究对象,结合流体力学、弹性力学、材料力学以及压电学等方面的知识,建立了压电俘能器的等效数学模型。运用等效原理推到出了等效质量及等效刚度的表达公式,并运用MATLAB求解相关方程。另外,通过仿真和实验等方法求解出了数学模型中的其他等效参数。两俘能器之间的相互耦合作用使其受到的流体力比较复杂,没有可供使用的经验公式来进行计算。本文运用FLUENT流体仿真软件模拟双俘能器的流场,利用其求解器来计算两个俘能器的受力大小,并结合UDF程序求解两俘能器的动态响应和电压输出,用动网格技术更新两俘能器的位置,实现双圆柱涡激耦合振动压电俘能的流体仿真。在仿真的过程中,通过改变两个俘能器的排列方式、间距比以及流场流速,得到了它们在不同条件下的输出电压。根据仿真结果,分析了两俘能器俘能性能与这些因素的关系。最终通过与孤立俘能器对比发现,两个俘能器之间的耦合作用很大程度的改变了它们各自的俘能性能。为了验证数学模型及流体仿真的正确性,搭建了明渠实验平台,制作了俘能器模型,并利用相关测量工具及采集程序进行了实物实验。通过对比发现,实验结果与仿真结果吻合,验证了本文数学模型及流体仿真的正确性。
【关键词】：双俘能器 耦合 流体仿真 俘能性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-18
• 1.2.1 涡激振动理论10-12
• 1.2.2 双圆柱涡激振动的研究现状12-15
• 1.2.3 传统的压电俘能研究现状15-16
• 1.2.4 基于涡激振动的压电俘能研究现状16-18
• 1.3 国内外研究现状分析18
• 1.4 本课题主要研究内容18-20
• 第2章 俘能系统数学模型的建立及等效参数求解20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 双圆柱涡激耦合振动俘能系统结构模型20-21
• 2.3 数学模型的建立21-30
• 2.3.1 等效刚度23-25
• 2.3.2 等效质量25-27
• 2.3.3 等效阻尼27-29
• 2.3.4 压电梁的等效机电耦合系数29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 FLUENT流体仿真及俘能特性分析31-53
• 3.1 引言31
• 3.2 FLUENT流体仿真原理31-33
• 3.2.1 FLUENT动网格技术应用与计算流程的确定31-32
• 3.2.2 FLUENT流体仿真计算模型的建立32-33
• 3.3 串行双圆柱涡激耦合振动压电俘能特性分析33-46
• 3.3.1 上游俘能器振动特性及其俘能特性分析35-40
• 3.3.2 下游俘能器振动特性及其俘能特性分析40-44
• 3.3.3 上下游俘能器相互影响的流场分析44-46
• 3.4 并行双圆柱涡激耦合振动压电俘能特性分析46-52
• 3.4.1 左侧俘能器振动特性及其俘能性能分析47-50
• 3.4.2 左右两俘能器相互影响的流场分析50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 实验平台的设计及实验研究53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 明渠实验平台的设计和搭建53-57
• 4.2.1 明渠实验平台及其附件的设计53-56
• 4.2.2 测量用具及软件平台56-57
• 4.3 明渠实验平台的原理及调试57-58
• 4.3.1 明渠实验平台的原理57
• 4.3.2 明渠实验平台的调试57-58
• 4.4 双圆柱涡激耦合振动压电俘能的实验研究58-61
• 4.4.1 串行双俘能器上游俘能器的俘能特性58-59
• 4.4.2 串行双俘能器下游俘能器的俘能特性59-60
• 4.4.3 并行双俘能器左侧俘能器的俘能特性60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 张彦芳;;压电发电技术的应用和发展趋势[J];科技资讯;2010年03期

2 孙健;李以贵;刘景全;杨春生;何丹农;;微压电式振动能量采集器的研究进展[J];微纳电子技术;2009年11期

3 袁江波;谢涛;单小彪;陈维山;;压电俘能技术研究现状综述[J];振动与冲击;2009年10期

4 方科;李欣欣;杨志刚;程光明;阚君武;;压电式能量获取装置的研究现状[J];传感器与微系统;2006年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 袁江波;圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

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本文编号：681260