收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

圆柱型压电俘能器的流激振动及其发电性能研究

宋汝君  
【摘要】:随着无线电子设备、传感器、微机电系统等低能耗电子产品的普遍应用,产品的持续供能成为了研究者关心的热点问题。由于传统供能源(如电子、电池)储能电量有限,需要定期更换,在一些人类难以到达的场合(如深海、远海、原始森林、太空、人体等)弊端明显,研究者需探究持续的供能方式。压电振动俘能技术是一种将环境振动能转化成电能的有效方式。环境的振动能形式主要有风动能、水动能、潮汐能以及机械振动能等,其中水动能具有能量密度大、分布广泛、绿色环保、可持续利用等优点,是一种重要的新能源形式。面对高速水流,可以建立水电站转化水动能为电能,为人类生活所用。而水流在自然界中多以低速状态存在,面向低速水流,本文提出了基于压电俘能器的流激振动俘能方式,该方法兼备水动能和压电俘能技术的优势,应用前景广泛。基于水流的涡激振动,本文开展了单一压电俘能器的流激振动俘能研究,包括压电俘能器的流激复摆振动俘能和流激弯扭、复合振动俘能研究。前者有效的提高了水流流域的空间利用率,降低了共振响应频率和产生涡激共振的水流流速,更适合低速水流环境。后者针对相对较高的流速环境,复合了弯振和扭振两种振动模式,相比于传统的弯振式俘能器,有效提高了俘能器的发电性能。面向两种压电俘能方式,通过涡激振动理论、压电理论和能量法,考虑流体附加质量和附加阻尼对俘能器的影响,分别建立了压电俘能器流激复摆振动俘能和流激弯扭复合振动俘能的流-固-电耦合数学模型。基于所建立的耦合数学模型,数值分析了流场流速、压电俘能器结构、负载电阻等参数对两种俘能方式的振动响应和发电性能的影响规律。研究发现:两种压电俘能器在水流激励下产生涡激振动,其振动响应和发电性能随着水流流速的增大而先增大后减小,均在涡激共振处获得最大值;振动频率整体随流速的增大而线性增大,但在涡激共振附近,由于涡激振动的频率“锁定”特性,俘能器的振动频率被锁定在俘能器的固有频率附近。圆柱直径和压电梁宽度的增大、圆柱质量和压电梁长度的减小均有利于提高俘能器涡激共振时的发电性能,但同时也增大了俘能系统产生涡激共振的水流流速,不利于低速水流环境;圆柱浸水长度和圆柱长度等参数的增大均有利于提高俘能器的振动响应和发电性能。存在一个最优电阻值使俘能器的输出功率最大,最优电阻值随圆柱直径的增大而增大,随流速的增大而减小。诸多工况下,单一压电俘能器不能满足供能需求,鉴于此,本文提出了双俘能器流激耦合振动俘能方式,研究了两个复摆振动式压电俘能器在并行和串行两种排列方式下的流激耦合振动响应和发电性能。为了探究俘能器与流场、俘能器与俘能器之间的相互耦合影响,建立了双压电俘能器系统的流-固-电耦合模型,仿真分析了双俘能器的流激耦合振动俘能特性。研究发现:在串行排列方式下,上游俘能器的振动形式为涡激振动,下游俘能器受到上游俘能器尾流激励的影响,其振动形式为涡激振动耦合尾流激振。在不同的间距比下,上游和下游俘能器的振动响应不同。当两者间距较小时,两俘能器的相互耦合作用较大,致使上游和下游两个俘能器的振动响应和发电性能均提高。随着间距比的增大,两者的耦合作用降低,两个俘能器的输出功率均降低。在低速区域(0.174 m/s-0.272 m/s),上游俘能器的振动响应和发电性能大于下游俘能器,在较高流速区域((29)0.272 m/s),下游俘能器的振动响应和发电性能则远大于上游俘能器。在并行排列方式下,间距较小时,两者的耦合作用较大,振动响应和发电性能有所提高。左右两侧压电俘能器的振动响应和发电性能相同,其振动形式均为涡激振动。设计并搭建了水动力实验系统和测试平台,研制了三套压电俘能器的实验样机。测试了单一俘能器在水流激励下的发电性能,对比数值分析和实验测试结果,发现有较好的吻合,验证了本文数学模型的正确性;分别搭建了串行和并行双压电俘能器流激振动俘能实验测试系统,测试了两个俘能器在水流激励下的发电性能,与仿真分析结果对比,验证了仿真分析的正确性。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 朱灯林;吕蕊;俞洁;;压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计[J];机械工程学报;2009年02期
2 杜设亮,傅建中,张云,陈子辰;仿生主动构件压电变换器研究[J];中国机械工程;2001年05期
3 蒋建平;李东旭;;压电层合板高阶计算模型[J];振动与冲击;2008年04期
4 孙浩;杨智春;李凯翔;解江;李斌;张玲凌;;压电分流阻尼控制精密机械结构振动的研究[J];振动与冲击;2008年06期
5 丁大成,牛勇;压电陶瓷复合振子的电声效率与振子压电片位置关系的实验研究[J];声学学报;1983年06期
6 林西强,任钧国;含压电片层合板的静变形控制[J];固体力学学报;1998年04期
7 林西强,任钧国;含压电片梁的静变形控制[J];应用力学学报;1998年04期
8 李书光,胡松青,张军;圆管状压电片低频接收电压灵敏度的一种简化分析法[J];青岛大学学报(自然科学版);2002年01期
9 杨智春,孙浩,崔海涛;压电分流阻尼控制悬臂梁振动的参数优化分析[J];机械科学与技术;2005年06期
10 刘登云;陈洪涛;杨志刚;程光明;;压电叠堆泵的初步研究[J];液压与气动;2007年03期
11 吴磊;王建国;;压电片位置和大小对板振动控制的影响[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2007年08期
12 胡小伟;朱灯林;;基于板梁扭转振动控制阻尼的压电片拓扑形状设计[J];河海大学学报(自然科学版);2008年01期
13 魏双会;褚金奎;杜小振;;压电发电器建模研究[J];传感器与微系统;2008年06期
14 李婷;傅波;;压电阀的发展及应用[J];流体传动与控制;2009年06期
15 李岳锋,朱德懋,姚军,刘娟;压电梁振动的多输入多输出主动控制[J];振动工程学报;1998年01期
16 古渊,陈伟民,雷跃明,杨泽林,蹇开林,殷学纲,黄尚廉;压电减振机敏柔性板上的布片位置优化研究[J];压电与声光;1999年01期
17 杨智春,崔海涛,孙浩;压电分流阻尼控制悬臂梁振动的实验研究[J];机械科学与技术;2005年05期
18 邱志成;吴宏鑫;;基于特征模型的压电悬臂板振动控制[J];机械工程学报;2008年10期
19 杨智春;孙浩;李凯翔;武丹;王臻;;精密机械结构的自适应压电分流阻尼抑振[J];压电与声光;2009年03期
20 钱锋;王建国;;压电智能结构振动控制的数值模拟[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2010年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 常道庆;刘碧龙;李晓东;田静;;智能吸声控制中压电片位置的选取[A];中国声学学会2007年青年学术会议论文集(上)[C];2007年
2 匡友弟;王卓;李国清;陈传尧;;节式压电梁的电阻抗模拟和实验研究[A];第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会摘要集[C];2006年
3 尹潇然;李国清;徐巍;缪幸圆;;有限元法与阻抗法分析压电智能梁的传感与激励[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
4 杨亚东;王军;冯国旭;程小全;;压电悬臂梁的压电片位置及主动控制研究[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第二卷)[C];2010年
5 徐巍;李国清;尹潇然;缪幸圆;;有限元法与阻抗法分析压电激励下的弹性薄板[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
6 段吉栋;何远航;;压电蜂窝结构振动控制研究[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年
7 袁学帅;陈富军;姚林泉;;压电层合结构的子域配点法[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
8 吴鹏;曹东兴;;一种新型压电俘能器的动力学建模及振动特性分析[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年
9 裘进浩;季宏丽;刘建;朱孔军;;压电功能器件及其在智能结构中的应用[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
10 张立;郭定文;王秋蓉;;压电降噪的多物理场建模分析方法[A];运输噪声的预测与控制——2009全国环境声学学术会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 宋汝君;圆柱型压电俘能器的流激振动及其发电性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
2 郭抗抗;双稳态压电悬臂梁俘能器的动态响应及发电性能研究[D];天津大学;2015年
3 庞帅;风致压电振动能量收集与存储技术研究[D];北京林业大学;2016年
4 徐振龙;磁力耦合压电电磁复合俘能器发电特性研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
5 魏胜;基于碰撞致上变频原理的压电能量收集技术研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
6 陈奕声;路面车致变形的压电俘能机理研究[D];浙江大学;2016年
7 陈圣兵;基于压电分流阵列的带隙调控及振动抑制[D];国防科学技术大学;2014年
8 崔小斌;基于压电效应的能量收集装置实验及原理研究[D];南京航空航天大学;2016年
9 龚立娇;压电复合梁机电转换特性及多模宽频发电的研究[D];中国科学技术大学;2015年
10 胡洪平;低频压电俘能器研究[D];华中科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 任佳琦;基于谐振式悬臂梁的压电—电磁复合俘能技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 崔兴可;微尺度压电振动发电机构动力学分析与微电源设计[D];山东大学;2015年
3 陈丹鹏;薄壁板气动弹性非线性振动的压电俘能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
4 冉令坤;压电曲壳结构动力形状控制及优化设计[D];大连理工大学;2015年
5 刘杉;振动发电与压电发电混合式能量捕获装置的研究[D];河北工业大学;2015年
6 王大宇;基于移动终端的复合梁结构压电发电技术研究[D];电子科技大学;2014年
7 贾元辉;埋置压电装置沥青混凝土制备与性能研究[D];河北工业大学;2015年
8 高秀;基于钝体绕流的压电发电模型研究[D];东南大学;2015年
9 李晓旭;压电惯性驱动机构的驱动力和运动参数测试研究[D];浙江师范大学;2015年
10 牛凯强;压电致动声衬及其消声性能研究[D];中北大学;2016年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 浙江 张培君;压电式电子门铃[N];电子报;2007年
2 台湾省台北市 何堃山;用压电式蜂鸣器产生 直流电压的实验[N];电子报;2004年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978