基于钝体绕流的压电发电模型研究

发布时间：2017-11-26 11:05

  本文关键词：基于钝体绕流的压电发电模型研究

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【摘要】：海洋环境监测是人类进行海洋资源开发、利用和保护的基本手段。当代海洋环境监测技术的发展与无线传感器网络的发展密切相关。无线传感器网络是一种新兴的网络技术,它被广泛应用于环境监测和保护、医疗与护理、军事、工业等多个领域。无线传感器网络不需要基站,成本低廉,并且可以通过密集部署传感器实现多节点的同时监测。因此,对于海洋环境监测而言有着独特的优势。针对用于海洋环境监测的无线传感器网络的工作环境,本文提出了一种基于钝体绕流的压电发电技术用来给传感器网络节点供电。该压电发电机被放置在海流环境中,将钝体尾流中的游离漩涡作为整个装置的激振力,它能够采集流动媒介中的动能,并且将其直接转换成电能,从而实现无线传感器网络节点的电能自供给。文章首先设计了一种可用于海流环境能量采集的基于钝体绕流的压电发电系统。该系统由钝体结构、压电柔性体以及外围电路三个部分构成。设计的重点在于对该压电发电机激振力的研究。本文选取圆柱作为钝体对象,分析了流体力学中的典型现象——圆柱绕流及其形成的涡流场特性,并且研究了压电换能器的相关理论。其次,文章根据流固耦合动力学、压电材料的机电耦合相关理论以及基本的电路知识,分别对流固耦合和机电耦合两个部分进行分析求解,建立了基于钝体绕流的压电发电机的数学模型。同时,文章根据对基于钝体绕流的压电发电机的理论分析,利用ANSYS软件中的Fluent单元和Mechanical APDL单元分别对流固耦合场、机电耦合场进行建模求解,最终得到了压电发电机的开路电压和纯阻性负载条件下的输出功率,并且研究了来流速度、圆柱尺寸等因素对压电发电机输出电能的影响。最后,论文搭建了一个小型实验平台,采用变频水泵作为动力源,制作得到了一个恒流速的水槽,将压电薄膜和圆柱体按一定位置固定放置在水槽中,实验观察压电薄膜的输出电压波形,得到了不同流速和圆柱直径条件下的电压,并且外接负载,得到了相应的输出功率值。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM619

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本文编号：1229565