钝体表面附着物不同特征值条件下驰振式压电俘能器输出特性研究

作     者：刘宸涵 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵道利;孙维鹏;李志华

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：压电俘能器 驰振增强/抑制 分段分布参数模型 钝体表面附着物 水槽试验 

摘      要：驰振式压电俘能器是一种基于流致振动设计的能量采集设备,能够实现低速水流能向电能的高效转化,且具有结构简单、性能可靠的优点。现有的研究主要集中在探索具有更优流体动力学响应的钝体截面及相关的非线性研究上,而钝体表面具有三维结构特征的附着物对压电俘能器输出特性的影响规律目前尚不明确。因此本文通过进行模型计算、试验测试和仿真模拟,展开钝体表面附着物不同特征值条件下驰振式压电俘能器输出特性研究,重点如下: (1)利用拓展的哈密顿原理建立压电俘能器的机械控制方程,引入高斯定理建立电场-位移控制方程,并基于准稳态假设计算钝体驰振的水动力和力矩,进而得到压电俘能器机电耦合分段参数模型;用伽辽金法离散悬臂梁的位移并在此基础上解耦控制方程,得到了压电俘能器输出功率、悬臂梁位移和起振流速的解析解; (2)进行了钝体表面附着物形状和特征值对压电俘能器输出性能影响试验,明确了钝体质量和外载电阻两个试验无关变量的最优值;试验结果表明:当流速为0.51 m/s、钝体表面球型附着物2 mm凸起条件下的输出功率为1.262 mW,与E=0相比提高了51.86%;对于三棱柱型附着物,其凹陷会大大降低输出功率;当流速为0.51 m/s、钝体表面三棱柱形附着物凸起4.5 mm时,钝体的振幅为1.41 mm,与E=0相比减少了93.99%; (3)所建立的数学模型得到了试验结果的验证;进一步分析表明:当附着物的特征高度设置为合适值(如:-1mm≤Esp≤3mm)时,压电俘能器的输出功率会显著增加,而较大的凸起/凹陷高度(如:Esp=-2 mm或4 mm)会抑制钝体振动、降低输出功率;对比球型和椭球型附着物发现,相同深度条件下椭球型附着物对于输出功率的提高要明显大于球型的,这是由于附着物的底部尺寸会对压电俘能器输出功率产生影响;将椭球型与圆柱型对比发现,锋利的边缘角会增强钝体在水中运动的阻尼力、减少钝体表面产生的升力;此外钝体振动的频率及稳定性不受附着物存在的影响;系统的起振流速与输出功率密切相关,输出功率越高,对应工况的起振流速越低; (4)利用仿真模拟探究了附着物对钝体的流体动力学特性影响;结果表明:提升了压电俘能器输出功率的附着物能够增强钝体附近水流的翻滚、旋转效果,这种效果的存在能够使钝体在相同外部流速的情况下发育出旋转更加强烈的脱落涡,最终导致钝体表面监测到的升力系数峰值也变得更大;通过比较椭球型和圆柱型附着物相同特征高度下的脱落涡发现,椭球型附着物条件下的钝体脱落涡街要比相同高度下圆柱型的情况更加紊乱一些,推测这是由于椭球型附着物具有更加顺滑的几何结构,其促进脱落涡发育的能力要优于边缘形状变化更加剧烈的圆柱型附着物。 研究结果具有两方面的用途:一方面,附着物对流致振动的增强效果可用于优化压电俘能器;另一方面,在物体表面增加特定形状附着物来实现大幅度的流致振动抑制或可为结构的有害流致振动控制提供参考。