基于流機(jī)電多物理場耦合下渦激振動能量收集模型及特性.pdf

1、隨著微能源、MEMS、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，使用壓電轉(zhuǎn)換振動能量收集原理(PEH)收集流體機(jī)械能成為近年的研究熱點(diǎn)。壓電振動能量收集作為一種有效的環(huán)境能源收集技術(shù)，受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注，主要應(yīng)用于健康監(jiān)控、無線傳感器系統(tǒng)、微小型電機(jī)耦合器件等領(lǐng)域。因此，研究壓電振動能量收集技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價值。渦激振動(VIV)現(xiàn)象可將流動能轉(zhuǎn)化為振動能。渦激振動中的鎖定效應(yīng)可有效增加振動強(qiáng)度，從而提高能量收集的效率，具有重要研究

2、價值。然而目前針對渦激振動能量收集技術(shù)(VIVPEH)的研究極少，特別是針對流場流動-機(jī)械振動-帶電回路(流機(jī)電)多物理場耦合模型建立和求解方法的研究鮮有報道。因此，本文針對流機(jī)電多物理場耦合渦激振動能量模型及特性的研究具有非常重要的學(xué)術(shù)意義和價值。
　　本文首先針對渦激振動中存在的流固耦合問題，進(jìn)行了流固耦合渦激振動的數(shù)學(xué)模型建立和求解方法的研究。其次，進(jìn)行了如何將渦激振動現(xiàn)象與壓電能量收集系統(tǒng)進(jìn)行流機(jī)電多物理場耦合的研究，重點(diǎn)

3、進(jìn)行了如何建立流機(jī)電多物理場耦合數(shù)學(xué)模型以及如何對該模型進(jìn)行求解的研究。然后，本文基于以上流機(jī)電多物理場耦合模型與方法，對光滑圓柱、PTC圓柱、帶攻角方柱、不同頂角三角柱等幾種不同形狀柱體 VIVPEH在不同外接負(fù)載條下，不同來流速度時的振動響應(yīng)、流場特性和能量收集特性進(jìn)行了深入研究。得出了以下主要成果：
　　①首次建立了一種計算流固耦合VIV動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值計算方法，該方法可以將流體連續(xù)性方程和N-S方程與柱體振動方程同時求解，并

4、且可以克服傳統(tǒng)動網(wǎng)格技術(shù)的畸變和扭曲等問題。為驗(yàn)證流固耦合渦激振動求解方法，首先使用靜態(tài)柱體繞流的方法，驗(yàn)證了本文外流場求解數(shù)值方法在求解大范圍雷諾數(shù)時的準(zhǔn)確性。然后，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，通過測試不同來流速度下的光滑圓柱VIV振幅，與利用本文數(shù)值求解方法所得結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文VIV流固耦合數(shù)值求解方法的準(zhǔn)確性。
　　②基于壓電懸臂梁能量收集的集總參數(shù)模型，同時考慮鈍體的振動、外部流場的流動和壓電回路三者的相互作用，首次建立了將鈍體

5、繞流渦激振動作為動態(tài)載荷，帶動壓電懸臂裝置進(jìn)行振動并且收集渦激振動能量的數(shù)學(xué)模型，并提出了該模型的數(shù)值求解方法。首先，使用系數(shù)矩陣法，求解由機(jī)電耦合鈍體振動方程的線性形式和高斯定律組成的方程組，求得了外接負(fù)載對鈍體振動系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，從而消除了振動方程中的電壓?xiàng)，使得振動方程降維，從而可以使用本文的流固耦合VIV數(shù)值計算方法中進(jìn)行求解，并得出振動響應(yīng)和流場特性；然后使用基于正弦波的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論，求解高斯定律，得到能量收集電壓和功率輸出的

6、一般形式。最后，將振動振幅的計算結(jié)果代入電壓輸出和功率輸出的表達(dá)式中，即可獲得流機(jī)電多物理場耦合的渦激振動能量收集特性。
　　③基于流機(jī)電多物理場耦合渦激振動能量收集數(shù)學(xué)模型和求解方法，首次獲得了流機(jī)電多物理場耦合下，光滑圓柱、PTC圓柱VIVPEH在不同外接電阻對振動系統(tǒng)的負(fù)反饋下的渦激振動響應(yīng)及能量收集特性。機(jī)電耦合阻尼會隨電阻增大而先增大后減小，而機(jī)電耦合頻率在經(jīng)歷一個階躍性上升后重新達(dá)到平穩(wěn)。振幅曲線中觀察到了振幅曲線中的

7、三個分支，光滑圓柱與PTC圓柱的振幅最大值較為接近，且PTC圓柱的鎖振區(qū)域得到了延后。光滑圓柱與PTC圓柱VIVPEH的輸出電壓和功率最大值較為接近。
　　④獲得了不同攻角方柱和不同頂角三角柱VIVPEH的能量收集特性，結(jié)果表明方柱VIVPEH能量收集特性要優(yōu)于圓柱，而三角柱VIVPEH要優(yōu)于方柱。攻角對方柱振動振幅最大值和鎖振區(qū)域有著較大影響，最大振幅、電壓、功率輸出出現(xiàn)在攻角為45°時。三角柱VIVPEH的能量收集能力要明顯強(qiáng)