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波流条件下VIVACE型发电装置悬臂圆柱水动力特性及俘能效率研究

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波流条件下VIVACE型发电装置悬臂圆柱水动力特性及俘能效率研究

作者：姜庆典江苏科技大学

学位级别：硕士

海流能作为海洋能中的一种,可基于圆柱涡激振动的原理对其进行开发利用,是当前可再生能源领域中的研究热点。相比传统的海流冲击涡轮机叶片发电装置而言,VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)装置具有启动流速低、装... 详细信息

海流能作为海洋能中的一种,可基于圆柱涡激振动的原理对其进行开发利用,是当前可再生能源领域中的研究热点。相比传统的海流冲击涡轮机叶片发电装置而言,VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)装置具有启动流速低、装置成本低,不影响海洋生态环境以及使用寿命较长等诸多优点。目前,已有不少学者研究了海流对圆柱载荷和发电效率的影响,但对于波流共同作用下的影响,鲜有成果发表。因此,开展VIVACE装置在波流条件下的水动力载荷和发电效率研究,在海流能应用方面具有一定的社会价值和工程意义。针对自由液面条件下悬臂圆柱运动的水动力特性问题,基于CFD方法,对悬臂圆柱在自由液面条件下固定不动与垂荡振动运动响应进行数值模拟。计算得到悬臂圆柱水动力载荷在不同淹没深度、不同圆柱半径和不同流速等条件下的变化规律。根据圆柱振动响应变化规律,计算悬臂圆柱在不同条件下的俘能效率,得到俘能效率随着不同淹没深度、圆柱半径和流速等条件下的变化规律。针对波流条件下悬臂圆柱运动的水动力特性问题,在自由液面数值模拟的基础上,建立波流条件下悬臂圆柱固定不动与垂荡运动响应的数值模拟方法,得到悬臂圆柱水动力载荷。通过改变淹没深度、波浪周期、流速和圆柱半径等参数,得到其对悬臂圆柱水动力载荷的影响规律。根据圆柱振动响应变化规律,计算悬臂圆柱在不同条件下的俘能效率,并得到俘能效率随着不同淹没深度、波浪周期、流速和圆柱半径下的变化规律。针对波流条件下悬臂圆柱旋转运动时的水动力特性问题,基于CFD方法,在波流条件的基础上,增加力矩点与力矩,对悬臂圆柱在波流条件下旋转运动响应进行数值模拟。通过改变圆柱、波浪与力臂等参数,得到悬臂圆柱水动力载荷在不同淹没深度、波浪周期、流速、力臂长度和力臂角度等条件下的变化规律。根据不同条件下圆柱振动响应变化规律,计算得到俘能效率随着不同淹没深度、波浪周期、流速、力臂长度和力臂角度等的变化规律。

关键词：海流能悬臂圆柱波流振动响应俘能效率

基于主动悬架的直线式电磁俘能器关键参数分析

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山东理工大学学报（自然科学版） 2025年第2期39卷 30-36页

作者：刘江铎邵素娟袁诗鹏孙忠辉山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255049

为研究应用在主动悬架上的直线式电磁俘能器参数的影响,构建了基于主动悬架的线性二次调节器(LQR)控制模型,并在其基础上通过实验研究了依赖于悬架相对运动的直线式电磁俘能器效率。通过改变永磁体的直径、线圈匝数以及悬架之间的相对速... 详细信息

为研究应用在主动悬架上的直线式电磁俘能器参数的影响,构建了基于主动悬架的线性二次调节器(LQR)控制模型,并在其基础上通过实验研究了依赖于悬架相对运动的直线式电磁俘能器效率。通过改变永磁体的直径、线圈匝数以及悬架之间的相对速度,研究不同参数对电磁俘能器效率的影响,结果表明,在保持其他参数不变的情况下,增大永磁体的直径、采用更多的线圈匝数以及更快的相对速度,均有利于提高电磁俘能器的效率。此外,通过对比主动悬架和被动悬架的俘获能量效果可知,在其他条件相同的情况下,主动悬架比被动悬架能够俘获更多的能量,这为进一步探索应用于主动悬架上的直线式电磁俘能器提供了理论基础和实践参考。

关键词：电磁俘能主动悬架 LQR控制俘能效率

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压电俘能技术研究现状综述

振动与冲击 2009年第10期28卷 36-42页

作者：袁江波谢涛单小彪陈维山哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

随着微电子、无线网络和MEMS等低耗能产品的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在着诸多弊端,而压电俘能器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能... 详细信息

随着微电子、无线网络和MEMS等低耗能产品的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在着诸多弊端,而压电俘能器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能需求而备受关注。综述了压电俘能技术的国内外研究现状。围绕提高压电俘能效率,从压电振子构成形式、能量存储电路和能量存储元件等方面进行了系统的介绍,并对压电俘能技术的发展方向进行了预测。压电俘能技术可应用于导弹引信,海啸预警、桥梁安全监测、石油输油管道监测等重要领域的安全检测装置的自供能系统中,同时也可为无线网络、嵌入式系统和MEMS等低耗能产品的实现无线供能,展现出了压电俘能技术的良好应用前景。

关键词：压电俘能器俘能效率自供能

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等强度梁式压-磁耦合振动俘能器的性能分析

电子元件与材料 2021年第7期40卷 696-701页

作者：马天兵尹梦涵胡伟康贾世盛安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

为进一步提高压电振动俘能器在低频振动环境下的俘能效率,提出了一种等强度梁式压-磁耦合振动俘能器结构。在传统压-磁耦合结构的基础上引入了梯形等强度梁,通过仿真和实验与矩形梁、复合梁进行了对比,并对单一压电式、单一磁电式和压-... 详细信息

为进一步提高压电振动俘能器在低频振动环境下的俘能效率,提出了一种等强度梁式压-磁耦合振动俘能器结构。在传统压-磁耦合结构的基础上引入了梯形等强度梁,通过仿真和实验与矩形梁、复合梁进行了对比,并对单一压电式、单一磁电式和压-磁耦合式俘能器进行了机电耦合特性分析。结果表明:当外界激励振强度为0.5g,最优负载为50 kΩ时,压-磁耦合振动俘能器的最大输出功率可达5.6 mW,其最大输出功率大于单一压电式和单一磁电式俘能器。与矩形梁式俘能器相比,提出的梯形梁式压-磁耦合振动俘能器俘能效率和压电片的利用率均有所提高。

关键词：低频振动压-磁耦合等强度梁机电耦合特性俘能效率

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振荡浮子式波能发电浮堤一体化装置性能研究

船舶工程 2021年第10期43卷 22-30页

作者：陈子和嵇春艳郭建廷卞向前江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212100

文章提出一种带消波水道的方箱型浮式防波堤与振荡浮子式波浪能发电一体化装置概念设计方案,应用ANSYS Fluent软件,通过锚泊线准静态法、多体耦合动力学理论与Newmark-β法对一体化装置进行耦合水动力计算,分析不同阻尼及水道构型参数... 详细信息

文章提出一种带消波水道的方箱型浮式防波堤与振荡浮子式波浪能发电一体化装置概念设计方案,应用ANSYS Fluent软件,通过锚泊线准静态法、多体耦合动力学理论与Newmark-β法对一体化装置进行耦合水动力计算,分析不同阻尼及水道构型参数对集成系统消波与俘能效率的影响。结果表明,在阻尼选取区间内,线性等效电磁阻尼的俘能效率整体上大于Coulomb等效液压阻尼,增加浮子质量或增加线性阻尼系数,均可提升一体化装置的俘能效率,而对消波性能影响甚微。减小出口宽度,对俘能效率的提升有利并能提升消波性能。当消波水道入口完全浸没于水下时,俘能效率相对更高,消波效果更优。这种新颖的一体化装置构型为后续相关的消波与波浪能转换耦合水动力模型研究提供了思路与借鉴。

关键词：波能转换装置浮式防波堤消波水道振荡浮子俘能效率黏性CFD理论

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来流攻角对柱体系统的涡激振动响应研究

来流攻角对柱体系统的涡激振动响应研究

作者：张居正河北工程大学

学位级别：硕士

涡激振动作为海洋工程中复杂的双向流固耦合问题,近年来广受科研人员关注。当水流流经海洋立管、海底管道等非流线型结构时,因剪切层分离,在其背流面便会存在漩涡脱落,漩涡的脱落会引起结构物受到周期性变化的力,进一步诱发振动。当约... 详细信息

涡激振动作为海洋工程中复杂的双向流固耦合问题,近年来广受科研人员关注。当水流流经海洋立管、海底管道等非流线型结构时,因剪切层分离,在其背流面便会存在漩涡脱落,漩涡的脱落会引起结构物受到周期性变化的力,进一步诱发振动。当约化速度处于同步区间时,结构自振频率等于漩涡泄放频率,结构将产生大幅振动,获取较多流体动能;当约化速度处于同步区间之外,结构振动失谐,振动频率符合St-Re关系,振幅较小,获取的振动能量较小。涡激振动本质是流体与结构之间的相互反馈调节过程,目前对涡激振动的研究主要有实验研究与数值模拟研究,本文基于FLUENT的UDF振动控制程序及嵌套网格技术,对不同来流角下回旋镖形控制杆柱体系统、串列双圆柱进行了涡激振动机理探讨,主要内容如下:(1)开展了不同约化速度下双自由度弹性支撑柱体涡激振动响应研究,发现模拟数据与前人实验数据吻合良好,验证了UDF程序及数值模型的准确性。CFD模拟过程中成功再现了“锁定”、“拍”、“8”字形振动轨迹等现象。最后,从相位变化、尾流模态角度对上述现象背后的机理进行了分析。(2)利用二维数值模拟研究了附加控制杆柱体的涡激振动问题。首先,对θ=75°、Ur=14工况下的涡激振动数值模型进行了网格无关性验证,利用该模型对不同来流攻角及约化速度下柱体系统的涡激振动特性开展了研究。(3)当来流攻角θ=30°时,与单圆柱相比,柱体振动响应及锁定区间有所减小,表现出明显的抑振特性;当来流攻角θ=45°～75°时,柱体振动响应随着来流攻角增加不断增大,柱体振动模式由涡振演变为软驰振;当来流攻角θ=90°时,柱体振动响应有所下降,但仍大于同一约化速度范围内的单圆柱。(4)为了对附加回旋镖形控制杆柱体系统的振动机理有更深刻的理解,通过变分模态分解法,对驰振状态下柱体的升力时程进行频率分解和特征提取,并从信息熵和时频-能量角度对柱体俘能效率进行了分析,进一步明确了柱体从涡振演化为驰振的诱发机理。(5)对雷诺数Re=0～7000、约化速度Ur=2～13、来流攻角θ=0°～90°下圆柱体的振动响应、流体力特性、尾流模式开展了研究。仿真结果表明:当约化速度Ur=2～3时,随着来流攻角增加,上下游柱体横向位移差不断增大,柱体尾流模式经历了单钝体、2S(双单涡模式)、2S(同相同步或反相同步模式)的演变过程,此时柱体振幅较小。(6)当Ur=4～8时,上下游柱体进入锁定区间,振幅均达到最大。与大攻角(θ=60°～90°)不同,小攻角下(θ=0°～30°)柱间存在较强的涡融合效应,相应的振幅较大。特别的,受柱间屏蔽作用控制,小攻角下柱体最大振幅开始于更大的约化速度;当Ur=9～13时,大攻角下上下游柱体均脱离锁定区间,振幅与单圆柱趋于一致。相反,小攻角下柱体振动频率接近漩涡脱落频率,加之上游柱体尾流的单边促进作用,导致上下游柱体振幅一直处于较大值。

关键词：来流攻角嵌套网格控制杆涡激振动软驰振俘能效率尾流模式

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附加质量框压电俘能器的非线性建模与研究

附加质量框压电俘能器的非线性建模与研究

作者：崔守杰北京工业大学

学位级别：硕士

振动式压电俘能器能将周围环境中振动产生的能量转换为电能,进而为其他电子设备供电,近年来已经成为学者们研究的热点问题。压电俘能器的简化模型是悬臂结构,其工作频带是共振区域,而在共振区通常会发生大挠度、大转角的振动。因此,研... 详细信息

振动式压电俘能器能将周围环境中振动产生的能量转换为电能,进而为其他电子设备供电,近年来已经成为学者们研究的热点问题。压电俘能器的简化模型是悬臂结构,其工作频带是共振区域,而在共振区通常会发生大挠度、大转角的振动。因此,研究悬臂结构在大挠度、大转角情况下的振动是研究压电俘能器的理论基础。输出电压和带宽是衡量压电俘能器品质的一个重要指标,通过在低频范围内拓宽有效工作频带是提高压电俘能器的输出电压有效途径。本文的主要研究内容主要有以下几个方面:(1)对于发生大挠度、大转角的柔性悬臂板,考虑坐标变换、非线性的应力和曲率,利用Hamilton原理推导了柔性悬臂板的非线性偏微分方程和边界条件。给出了与中面内力以及剪力相关的应力函数以及挠度和应力函数的表达式,利用最小势能原理得到了应力函数与挠度函数之间的关系。通过伽辽金离散的方法,最后得到了系统振动的非线性常微分方程组。(2)在均布载荷的作用下,利用理论和实验的方法对柔性悬臂板的弯曲以及非线性问题进行研究。考察不同理论下,柔性悬臂板的载荷-挠度曲线,分析非线性的应变和曲率对板弯曲变形的影响。利用谐波平衡法分析柔性悬臂板的非线性幅频响应,总结本系统非线性特性。利用龙哥库塔法来考察复杂的非线性行为如分叉、混沌。(3)综合利用质量框的刚体振动与悬臂板的弯曲振动,设计了一种新颖的附加质量框悬臂组合结构,该结构能够实现降低固有频率以及拓宽工作频带的效果,采用有限元考察压电俘能器的前三阶振型和固有频率,验证想法的可行性,依据有限元得到的模态,推导出理论的刚柔耦合结构挠度函数表达式,并用Rayleigh法求解系统的固有频率并与有限元的结果对比,为以后压电俘能器的分析奠定了理论基础。(4)将提出的新结构应用于压电俘能器中,利用非线性板理论和Hamilton原理对附加质量框压电俘能器进行非线性动力学建模,考察压电俘能器结构的非线性振动特性和发电特性,分析结构参数对俘能效率的影响。

关键词：柔性悬臂板应力函数非线性行为压电俘能器俘能效率

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多模态压电—电磁复合俘能技术研究

多模态压电—电磁复合俘能技术研究

作者：张雷哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着微机电系统(MEMS)技术的高速发展,具有低成本、小体积、多功能等优点的微机电无线传感节点网络在各个领域得到广泛应用,但是滞后的微机电系统供能技术制约了无线传感节点网络的发展。由于环境振动能具有能量密度高、分布广泛、供能... 详细信息

随着微机电系统(MEMS)技术的高速发展,具有低成本、小体积、多功能等优点的微机电无线传感节点网络在各个领域得到广泛应用,但是滞后的微机电系统供能技术制约了无线传感节点网络的发展。由于环境振动能具有能量密度高、分布广泛、供能稳定等优点,许多学者提出利用环境振动能为MEMS系统供电,从而替代传统微电池。因此,利用压电及电磁振动俘能装置进行环境振动能量回收成为研究热点。然而,现有研究中的俘能装置往往只具有较窄的响应频率范围,并且能量转换效率较低,严重制约了振动俘能装置可实用性。所以,研究一种具有宽频且高效的振动俘能装置具有重要的理论价值和实际意义。本文提出了一种基于螺旋型悬臂梁结构的多模态压电-电磁复合俘能装置,并从理论、仿真及实验三方面对其进行了研究。研究内容如下:(1)多模态复合俘能装置的数学建模及求解。首先,建立了多模态复合俘能装置的集中参数模型,并利用卡氏定理对其进行修正。其次,在此基础上对多模态复合俘能装置进行了数学建模,利用模态分析法对其进行求解,得到多模态压电-电磁复合俘能装置输出功率随频率变化曲线。理论分析表明,复合俘能装置具有离散的宽频输出特性。(2)多模态复合俘能装置的有限元分析。利用有限元分析软件ANSYS workbench以及Ansoft Maxwell对多模态压电-电磁复合俘能装置进行了有限元仿真分析,得到复合俘能装置在单一压电俘能、单一电磁俘能以及压电-电磁复合俘能情况下输出功率随频率变化曲线。仿真结果表明多模态螺旋结构拓宽了输出频带,压电-电磁复合俘能提高了俘能效率。(3)多模态复合俘能装置的接口电路设计。首先,对现有能量回收接口电路进行了功率及负载分析。其次,在此基础上针对多模态压电-电磁复合俘能装置的输出多源特性,提出了一种适用于多模态压电-电磁复合俘能装置的多源能量回收接口电路以及电路调理及储存策略。(4)多模态复合俘能装置的实验研究。搭建了多模态压电-电磁复合俘能装置实验系统,并对其进行单一俘能及复合俘能实验,实验结果表明,多模态压电-电磁复合俘能装置在26Hz、42Hz、50Hz、88Hz、100Hz五个共振点附近输出功率较高,且前两阶模态下,复合俘能较单一压电俘能输出功率分别提高了8.6%、2.8%,证明了多模态压电-电磁复合俘能装置具有宽频且高效的输出优点,与理论分析和仿真分析结果高度一致,实验结果检验了数值分析及仿真分析的正确性。

关键词：多模态压电-电磁复合俘能宽频俘能效率

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PTO位置对波能转换装置性能影响研究

PTO位置对波能转换装置性能影响研究

作者：丁帅大连海事大学

学位级别：硕士

在当今快速发展的世界中,能源瓶颈已成为制约各国可持续发展的重大问题,包括中国在内的许多国家普遍倡导应用清洁能源,以有效应对日益严重的资源危机和环境危机。波浪能是十分理想的可再生能源,但相比于波浪能资源丰富的地区,我国海域... 详细信息

在当今快速发展的世界中,能源瓶颈已成为制约各国可持续发展的重大问题,包括中国在内的许多国家普遍倡导应用清洁能源,以有效应对日益严重的资源危机和环境危机。波浪能是十分理想的可再生能源,但相比于波浪能资源丰富的地区,我国海域波浪能密度低,装置启动或高效运行存在一定困难,因此,因地制宜地开发适合我国海洋环境的波浪能发电技术,优化装置的运动性能以提高其俘能效率具有重要意义。本文所研究的多节漂浮式波能转换装置在众多装置中具有更高的波浪能俘获效率,以双浮体式波能转换装置动力输出系统(PTO,Power take-off)为研究对象,其液压缸一般布置在浮体两端,现改变安装位置,探究PTO位置参数改变对装置能量捕获效率与运行稳定性的影响。利用计算流体力学软件在波能转换装置与海水之间建立流固耦合模型,模拟双浮体装置在波浪中运动情况,主要研究内容如下:首先使用计算流体力学软件建立运动模型,以圆柱体为浮体形状,将液压系统作为PTO动力输出系统,液压缸筒等效为线性弹簧单元,在规则波作用下对双浮体装置进行模拟计算,本文选择相对纵摇角位移和PTO行程长度两个参数来衡量设备的性能。接着对双浮体装置中PTO系统位置设计四种不同布置方式,在半吃水下进行数值模拟计算,将其运动表现和功率响应进行分析对比,从而衡量各种布置方式的优劣,然后改变吃水深度,比较装置俘获宽度比后,选择0.25H、0.5H、0.75H(H为浮体高度)三组吃水深度来探究浮体的运动性能。结果表明:PTO沿水平面对称分布时,随着液压缸远离水面,俘获效率先增大到最大值后再减小,最大俘获效率为57.5%,相比一般布置,效率提高了5%;PTO沿铰接中心水平布置时,离铰接中心越远,其波浪能转换效率越低,吃水深度0.75H时具有最大的俘获效率73.3%。最后改变浮体的形状,取长方体、椭圆体、胶囊体为对照组,分别以沿水平面对称布置和沿铰接中心水平布置的方式进行模拟计算,将得到的相对纵摇角和俘获效率参数与圆柱体进行对比,从而为提高装置的俘能效率及俘能单元位置参数优化提供理论基础。结果表明:针对不同形状的浮体,椭柱体在正常布置情况下具有最大的俘获宽度比,胶囊体在PTO位置改变后具有最大的俘获宽度比,长方体与圆柱体具有相同的变化趋势,俘能效率先增大到最大值后再减小。

关键词：波浪能 PTO位置吃水深度浮体形状俘能效率