涡致振动压电能量收集结构的数值模拟与实验探索

发布时间：2020-11-12 00:48

　　 随着科技技术的快速发展,人们对地球的环境保护意识逐渐加强,人类对新能源的探索有了进一步的深入研究,通过收集环境中的微小能源为小型设备持续供电成为新型能源研究的热点.海洋与河流中流体绕流钝体形成的涡致振动是自然界一种常见现象,涡致振动现象可以在流速很低(1m/s)的情况下发生,且当流体的脱涡频率与结构的固有频率一致时会产生稳定持续的简谐振动,是海底等低流速水下环境中可收集能源之一,近年来受到了学术界的重视。本文主要利用内置压电悬臂梁的柔性圆管在低流速水下环境中产生的涡致振动现象进行能量收集技术的研究,为水下无线传感器网络的节点提供持续、稳定且环保的能源。首先介绍了微能源技术,微能源的获取以及国内外微能量收集结构的研究现状和存在的问题,着重分析了涡致振动压电能量收集技术的研究现状,并提出了论文的研究方向。其次研究了涡致振动的相关机理,分析了雷诺数Re,斯特劳哈尔数S_t等参数对涡致振动的影响,给出了流固耦合的动力学方程,研究了流固耦合的浸入边界数值模拟算法。接着针对柔性圆管进行了涡致振动的数值模拟,通过设定模型的初始条件和基本参数建立了三维流固耦合数值计算模型,数值模拟结果显示,刚性阻流体加柔性圆管结构的振动状态远比单柔性圆管和双柔性圆管稳定,且振动幅值较大,在流速为1.1m/s,圆管直径为0.02m,高度为0.08m,与阻流体距离为0.06m的情况下,柔性圆管的振动幅值能达到5×10~(-4)m,组成阵列后的各柔性圆管的振动响应均比前面得到的结果要大,且刚性阻流体后第二个柔性圆管具有稳定持续的振动响应,在相同的条件下,其振动幅值为2.3×10~(-3)m。通过将圆管顶端的振动位移作为初始条件对压电悬臂梁进行了压电耦合数值模拟,分析了柔性圆管与钝体间距、圆管高度和流速对压电悬臂梁输出电压的影响,在最佳振动条件下,柔性圆管的最大开路输出电压为55.7V。最后在实验探索中对涡致振动压电能量收集器进行了制备,完成了对器件的加工组装及结构密封。设计了实验系统,完成了涡致振动压电能量收集实验平台的搭建,实验完成了压电能量收集结构的性能测试与分析。实验测得在流速0.5m/s,能量收集结构半径0.01m,高度0.08m条件下,能量收集结构产生的平均电压值为294mV。经过对数值模拟和实验测试结果的分析,得出了涡致振动能量收集器的最低启动流速为0.65m/s的结论。本文对涡致振动压电能量收集技术进行了理论分析,数值模拟和实验研究,为涡致振动压电能量收集器的实际制备与测试提供了参考,对水下无线传感网络的发展和可再生能源技术的进步具有非常重要的意义。
【学位单位】：沈阳化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM619;TP212
【部分图文】：

1.3 振动能量收集结构研究现状机械振动能是自然界中极为常见的一种能量存在形式，例如汽车运行振动，风动，噪声振动等。目前，对以收集振动能的能量俘能器的研究逐渐引人关注。微型能量俘能器可以将环境中广泛存在的机械振动能转换成电能，并通过一系列能量收路对其进行收集，存储，以此达到为微型无线网络及其它微型控制器供电的目的根据电学效应的分类，将振动能量俘能器分为静电式振动能量俘能器、压电式能量俘能器以及电磁式振动能量俘能器三大类。各类振动能量俘能器利用不同的加工工艺和换能原理，实现振动能向电能的转换，应用前景十分广阔[27]，国内外的学者对此展开了大量的科学研究。1.3.1 静电式振动能量收集器静电式的振动能量俘能器是由外部电源（或驻极体）、可变量电容和谐振机构构利用振动俘能器的静电效应使可变电容两端产生相异的电荷，并在振动的作用下使图 1-1 电磁式微型转动风能收集器 图 1-2 压电式微型转动风能收集器

1.3 振动能量收集结构研究现状机械振动能是自然界中极为常见的一种能量存在形式，例如汽车运行振动，风动，噪声振动等。目前，对以收集振动能的能量俘能器的研究逐渐引人关注。微型能量俘能器可以将环境中广泛存在的机械振动能转换成电能，并通过一系列能量收路对其进行收集，存储，以此达到为微型无线网络及其它微型控制器供电的目的根据电学效应的分类，将振动能量俘能器分为静电式振动能量俘能器、压电式能量俘能器以及电磁式振动能量俘能器三大类。各类振动能量俘能器利用不同的加工工艺和换能原理，实现振动能向电能的转换，应用前景十分广阔[27]，国内外的学者对此展开了大量的科学研究。1.3.1 静电式振动能量收集器静电式的振动能量俘能器是由外部电源（或驻极体）、可变量电容和谐振机构构利用振动俘能器的静电效应使可变电容两端产生相异的电荷，并在振动的作用下使图 1-1 电磁式微型转动风能收集器 图 1-2 压电式微型转动风能收集器

存储，以此达到为微型无线网络及其它微型控制器供电的目的。根据电学效应的分类，将振动能量俘能器分为静电式振动能量俘能器、压电式振俘能器以及电磁式振动能量俘能器三大类。各类振动能量俘能器利用不同的材工艺和换能原理，实现振动能向电能的转换，应用前景十分广阔[27]，国内外的研对此展开了大量的科学研究。 静电式振动能量收集器静电式的振动能量俘能器是由外部电源（或驻极体）、可变量电容和谐振机构构成振动俘能器的静电效应使可变电容两端产生相异的电荷，并在振动的作用下使电滑移从而在回路中电荷移动产生电流实现了振动能到电能的转换。例如卜灵、伍晓明等研究人员所制备的新型静电式振动能量俘能器[28]如图 1-3，器采用聚四氟乙烯体材料的驻极体俘能结构。该结构较此前利用静电式获取电能器输出功率有了显著提高。其实验验证：在加速度逐渐增加到 1.2m/s2，振动频在 10Hz 时，该俘能器的最大输出功率峰值为 30uW，稳定后的平均功率为 5.5uW-4 为该能量收集结构的实物图。
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本文编号：2879992