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三稳态尾流驰振能量捕获系统发电性能研究

应用力学学报 2022年第3期39卷 498-505,526页

作者：刘丽兰吴子英谭红波西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

利用流体动能能量发电为微电子器件供电已逐渐成为非线性振动领域的研究热点。利用永磁铁产生非线性回复力,将非线性回复力引入到悬臂梁压电能量捕获装置中,提出了一种三稳态尾流驰振能量压电发电装置,获得力学模型及系统控制方程,获得... 详细信息

利用流体动能能量发电为微电子器件供电已逐渐成为非线性振动领域的研究热点。利用永磁铁产生非线性回复力,将非线性回复力引入到悬臂梁压电能量捕获装置中,提出了一种三稳态尾流驰振能量压电发电装置,获得力学模型及系统控制方程,获得了三稳态系统的稳定和不稳定平衡点表达式,给出了发电系统存在三稳态运动时的结构参数的取值范围。重点研究了等平衡点不同势阱深度、等势阱深度不同平衡点位置对系统的动力学响应及发电性能的影响。结果表明,等平衡点条件下浅阱系统的起振折合流速更低、发电性能更好。

关键词：三稳态尾流驰振能量捕获发电性能

尾流驰振风能摩擦纳米发电机性能研究及材料优化

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尾流驰振风能摩擦纳米发电机性能研究及材料优化

作者：袁松雷重庆大学

学位级别：硕士

随着人类社会的飞速发展,化石能源的消耗在不断增加,这引发了严重的能源危机和环境污染问题。开发和利用清洁能源,如生物能、氢能源、地热能、水能、风能、太阳能等是解决这些问题的一种重要手段。其中,风能因其清洁环保、可再生、储量... 详细信息

随着人类社会的飞速发展,化石能源的消耗在不断增加,这引发了严重的能源危机和环境污染问题。开发和利用清洁能源,如生物能、氢能源、地热能、水能、风能、太阳能等是解决这些问题的一种重要手段。其中,风能因其清洁环保、可再生、储量大等优点而受到广泛关注。尽管电磁式风力涡轮发电机被认为是当今风能收集的主流设备,但其价格昂贵、结构复杂、维护繁琐、微风收集效率低使得它并不适合为便携式电子设备和广泛分布的传感器网络供电。因此,探索一种新型的高效利用风能的方法势在必行。2012年,王中林教授提出了一种新的能量收集方法—摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG),它基于摩擦起电和静电感应的耦合效应,在外部机械力的驱动下,将机械能转化为电能。它具有成本低、材料选取广等优点,更重要的是,与其他能量转换技术相比,TENG具有更高的低频能量转换效率,这些特点使得TENG成为一种可以在低风速下有效收集风能的技术。然而,传统摩擦纳米发电机在用于风能收集时仍存在启动风速较高、材料磨损严重、材料可降解性能差等问题。因此,为了解决目前风能收集摩擦纳米发电机存在的问题,本文选取了尾流驰振效应作为风能到发电机动能的驱动力,分别从器件结构设计、钝体形状优化、可降解介电材料制备及性能优化等方面展开了研究。主要工作如下:(1)构建基于尾流驰振效应的微风能量收集摩擦纳米发电机。首先设计了悬臂梁结构和简易风洞用于实验测试,接下来对器件的结构参数(包括摩擦材料的长度、钝体的形状、钝体与弹簧钢片之间的间距等)进行了优化,进而系统性的测试该器件在微风(1-8.1 m/s)下电输出特性。(2)基于输出电压和风速表现出的优良线性关系,我们开发了一种风速实时监测系统,并表现出极佳的传感性能。同时,我们利用生活种常见的物体如:书本、水瓶以及盒子做为钝体,也成功的实现了风能的收集,这大大拓展了TENG微风能量收集的领域。(3)制备了基于直链淀粉/PCL的可降解介电摩擦层材料。研究了材料的电负性、介电性、可降解性以及A-PD-TENG的电输出特性,并得出直链淀粉/PCL薄膜电负性界于印刷纸和Al之间,该介电材料的相对介电常数达4.86。在压力为9.5 N、频率1Hz的条件下,利用该介电材料制作而成的接触分离式摩擦纳米发电机峰值功率可以达到3m W,表现出良好的电输出特性。最后,我们将所制备的直链淀粉/PCL薄膜放置于脂肪酶溶液中发现,约9天的时间即可被完全降解,表现出优良的可降解性。这项工作的提出,为可降解、高输出摩擦纳米发电机的制备提供了一种新的方案。

关键词：摩擦纳米发电机尾流驰振微风能量收集可降解材料

超长并列斜拉索尾流驰振及其控制风洞试验研究

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动力学与控制学报 2023年第5期21卷 69-75页

作者：向桂兵胡腾飞华旭刚广西交科集团有限公司市政设计院南宁530007 湖南大学土木工程学院风工程与桥梁工程湖南省重点实验室长沙410082

通过气动弹性模型风洞试验,测试了不同风攻角及索间距下,并列超长拉索间的风致振动特性,研究了拉索尾流驰振的运动轨迹及其控制措施.研究表明,拉索发生尾流驰振时,其运动轨迹通常为椭圆轨道,振动主轴与来流方向成一定倾角;运动方向为靠... 详细信息

通过气动弹性模型风洞试验,测试了不同风攻角及索间距下,并列超长拉索间的风致振动特性,研究了拉索尾流驰振的运动轨迹及其控制措施.研究表明,拉索发生尾流驰振时,其运动轨迹通常为椭圆轨道,振动主轴与来流方向成一定倾角;运动方向为靠近尾流外侧时,向下游运动,靠近尾流中心时,向上游运动;尾流驰振发生时,拉索从来流中吸收能量,振幅缓慢增大;随着风速增加,振幅增加较快直至出现明显的、振动主轴近似沿来流方向的极限环为止;采用分隔架可以有效抑制尾流驰振的发生,研究结果对并列拉索的抗风设计与振动控制具有指导意义.

关键词：超长并列拉索尾流驰振风洞试验气弹模型抑振措施

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基于能量方法的塔周长吊索尾流驰振性能研究

中国公路学报 2014年第8期27卷 42-52页

作者：唐浩俊李永乐廖海黎西南交通大学桥梁工程系四川成都610031

为了研究塔周长吊索尾流驰振的性能,发展了尾流驰振的能量分析方法。针对典型的双圆柱索尾流驰振,采用能量分析方法计算了下游索的驰振不稳定区域,从气动力做功的角度分析了尾流驰振的机理,并讨论了圆周运动半径、频率及来流风速对尾流... 详细信息

为了研究塔周长吊索尾流驰振的性能,发展了尾流驰振的能量分析方法。针对典型的双圆柱索尾流驰振,采用能量分析方法计算了下游索的驰振不稳定区域,从气动力做功的角度分析了尾流驰振的机理,并讨论了圆周运动半径、频率及来流风速对尾流驰振的影响。在验证分析方法可靠性的基础上,进一步分析了桥塔尾流致塔周长吊索尾流驰振的可能性。研究结果表明:能量分析方法所得结果与经典研究较为吻合,可用于判断实际结构发生尾流驰振的可能性;塔周长吊索的自振频率较低时存在发生尾流驰振的可能性。

关键词：桥梁工程吊索能量分析方法尾流驰振动网格气动力

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错列斜拉索尾流驰振及其抑振措施研究

振动与冲击 2020年第6期39卷 37-43页

作者：蔡畅何旭辉敬海泉秦成文中南大学土木工程学院长沙410075 高速铁路建造技术国家工程实验室长沙410075 广铁集团有限公司广州510000

以实际工程中的斜拉桥错列斜拉索为工程背景,设计了一套斜拉索风洞试验装置,对非平行的双排斜拉索进行了气弹模型风洞试验,研究了风攻角和风偏角对拉索振动的影响。试验观察到下游拉索发生明显的尾流驰振,尾流驰振的振幅及轨迹受风攻角... 详细信息

以实际工程中的斜拉桥错列斜拉索为工程背景,设计了一套斜拉索风洞试验装置,对非平行的双排斜拉索进行了气弹模型风洞试验,研究了风攻角和风偏角对拉索振动的影响。试验观察到下游拉索发生明显的尾流驰振,尾流驰振的振幅及轨迹受风攻角与风偏角的影响显著。当风攻角为5°、风偏角为10°时下游拉索最容易发生大幅尾流驰振,因此将此组合工况定为最不利工况。针对此最不利工况施加了三种抑振措施,分别为刚性杆连接、弹性杆连接和增加阻尼,试验结果表明加刚性连接杆或弹性连接杆成功抑制尾流驰振,而当阻尼比小于0.68%时,增加阻尼对尾流驰振的抑振效果不明显。

关键词：错列斜拉索风洞试验尾流驰振抑振措施

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基于能量方法的拉索尾流驰振风洞试验研究

振动与冲击 2017年第4期36卷 218-225页

作者：吴其林华旭刚胡腾飞湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室长沙410082 广西交通科学研究院南宁530007

为了研究近距失稳区并列拉索尾流驰振性能,发展了基于能量方法的风洞试验方法。采用强迫振动装置重现了拉索尾流驰振现象,通过能量判断方法分析了下游拉索尾流驰振的运动方向和不稳定区域。从气动力对下游拉索做功的角度,研究了其振动机... 详细信息

为了研究近距失稳区并列拉索尾流驰振性能,发展了基于能量方法的风洞试验方法。采用强迫振动装置重现了拉索尾流驰振现象,通过能量判断方法分析了下游拉索尾流驰振的运动方向和不稳定区域。从气动力对下游拉索做功的角度,研究了其振动机理,并对比分析了下游拉索不同振幅、来流风速以及频率对尾流驰振性能的影响。试验研究表明,基于能量分析方法所得到的结果与已有结论较为吻合,验证了该方法的可靠性。

关键词：并列拉索尾流驰振能量分析方法风洞试验强迫振动

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四分裂导线尾流驰振数值模拟研究

振动与冲击 2015年第1期34卷 182-189页

作者：严波蔡萌琦吕欣周林抒重庆大学工程力学系重庆400044 重庆大学土木工程学院重庆400044

利用风洞试验测量四分裂导线的空气动力系数,得到各子导线的空气动力系数随风攻角的变化曲线,表明尾流干扰对处于上风子导线尾流区的子导线的气动特性影响明显。给出利用ABAQUS有限元软件模拟分裂导线尾流驰振过程的方法,进而针对典型... 详细信息

利用风洞试验测量四分裂导线的空气动力系数,得到各子导线的空气动力系数随风攻角的变化曲线,表明尾流干扰对处于上风子导线尾流区的子导线的气动特性影响明显。给出利用ABAQUS有限元软件模拟分裂导线尾流驰振过程的方法,进而针对典型四分裂导线线路段,模拟得到包括整档舞动和次档距振动的尾流驰振现象,分析了整档舞动和次档距振动的特征,以及间隔棒不同布置方式和风速对尾流驰振的影响。

关键词：四分裂导线空气动力特性尾流驰振数值模拟

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中间索面斜拉桥并列拉索尾流驰振数值研究

振动与冲击 2013年第10期32卷 91-94页

作者：马如进倪美娟同济大学桥梁工程系上海200092

针对中间索面斜拉桥并列拉索的尾流驰振,在驰振基本理论的基础上结合大涡数值模拟方法进行了数值研究。研究首先回顾了驰振的基本理论,进一步利用大涡数值风洞模拟方法获得了横风下并列拉索的静风荷载系数,并分析了不同风攻角时上游索... 详细信息

针对中间索面斜拉桥并列拉索的尾流驰振,在驰振基本理论的基础上结合大涡数值模拟方法进行了数值研究。研究首先回顾了驰振的基本理论,进一步利用大涡数值风洞模拟方法获得了横风下并列拉索的静风荷载系数,并分析了不同风攻角时上游索对下游索三分力系数的影响。在驰振判别原则的基础之上开展并列拉索尾流驰振的判别方法和发生风速的研究。结果表明上游拉索不会发现驰振失稳,下游拉索则发生驰振失稳的可能性很高,同时提高拉索结构阻尼比或者改变拉索局部振动频率均能有效地提高尾流驰振发生风速。最后建议并列拉索采用连接器相连的措施以提高拉索局部振动的频率,该措施可以极大地提高拉索尾流驰振稳定性。

关键词：中间索面斜拉桥并列拉索尾流驰振大涡数值模拟

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桥梁吊杆索尾流驰振问题的数值研究

清华大学学报（自然科学版） 2008年第11期48卷 1931-1934页

作者：黄伟峰李勇刘秋生王波清华大学精密仪器与机械学系北京100084 清华大学航天航空学院北京100084

对一座大桥长吊杆索的尾流驰振问题进行了数值研究。基于Reynolds平均的非定常N-S方程和SST k-ω湍流模型,采用商业CFD软件FLUENT对串列双吊杆索的绕流流场进行了数值模拟,得到了不同工况下下游吊杆索气动力的瞬时值、时间平均值及其气... 详细信息

对一座大桥长吊杆索的尾流驰振问题进行了数值研究。基于Reynolds平均的非定常N-S方程和SST k-ω湍流模型,采用商业CFD软件FLUENT对串列双吊杆索的绕流流场进行了数值模拟,得到了不同工况下下游吊杆索气动力的瞬时值、时间平均值及其气动导数。在此基础上进行的上游吊杆索尾流中的下游吊杆索的稳定性分析发现,在设计参数下,当攻角较大或较小时是稳定的,但在攻角的中间范围是不稳定的,会发生尾流驰振现象。该结果与传统理论一致,为该桥的增设阻尼器的必要性提供了依据。

关键词：吊杆索尾流驰振数值模拟湍流