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背风侧合成射流对圆柱涡致振动的影响

工程热物理学报 2022年第7期43卷 1870-1876页

作者：丁林宋天王海博张力重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学能源与动力工程学院重庆400030

合成射流作为一种新型流动控制技术,在流动分离和流致振动控制等方面具有广阔的应用前景。本文通过数值模拟研究了层流条件下(Re=150)在圆柱背风侧布置合成射流对双自由度涡致振动的控制效果。合成射流对称布置在15°到75°位置角(α)... 详细信息

合成射流作为一种新型流动控制技术,在流动分离和流致振动控制等方面具有广阔的应用前景。本文通过数值模拟研究了层流条件下(Re=150)在圆柱背风侧布置合成射流对双自由度涡致振动的控制效果。合成射流对称布置在15°到75°位置角(α)范围内,射流动量系数(Cu)选取1、2、4,合成射流方向角(β)分别为β=0°(水平)、β=90°(竖直)和β=α(法向)。通过与不受合成射流控制的圆柱对比发现,水平方向合成射流的动量系数增加会抑制圆柱双自由度涡致振动,竖直方向合成射流布置在背风侧会增强圆柱双自由度涡致振动。圆柱顺流向振动被合成射流抑制时,振动频率锁定在合成射流的激励频率上。水平方向的合成射流布置在圆柱表面的背风侧时,可以降低圆柱的阻力系数。

关键词：合成射流圆柱涡致振动主动控制双自由度

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来流条件对旋转圆柱双自由度涡致振动的影响

工程热物理学报 2022年第12期43卷 3258-3265页

作者：丁林孔浩邹群峰张力重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学能源与动力工程学院重庆400030

结构流致振动是流体机械及动力工程设备中与安全相关的重要问题。本文通过数值方法研究了三种典型平面来流条件下刚性旋转圆柱的涡致振动。双自由度旋转圆柱可以在来流和横流方向自由振动。在折减速度范围为3≤U^(*)≤12内,圆柱在来流... 详细信息

结构流致振动是流体机械及动力工程设备中与安全相关的重要问题。本文通过数值方法研究了三种典型平面来流条件下刚性旋转圆柱的涡致振动。双自由度旋转圆柱可以在来流和横流方向自由振动。在折减速度范围为3≤U^(*)≤12内,圆柱在来流方向的最大振幅为0.375D,横流方向的最大振幅为0.738D。旋转增强了圆柱来流方向的振幅,抑制了横流方向的振幅。对于非旋转圆柱,均匀来流和非线性来流下圆柱运动轨迹为“8”字形,剪切流作用下可以观察到“水滴”形运动轨迹;对于旋转圆柱,三种来流条件下的运动轨迹都呈现椭圆形。旋转产生的马格努斯效应使圆柱的平衡位置由初始位置向下偏移,在圆柱的近尾流中可观察到2S和S+P的旋涡脱落模式。

关键词：涡致振动双自由度来流条件旋转圆柱马格努斯效应

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亚临界雷诺数圆柱涡致振动的实验研究

空气动力学学报 2023年第1期41卷 101-107页

作者：吕振张伟伟寇家庆西北工业大学航空学院西安710072

近年来,数值模拟结果表明圆柱涡致振动现象可在低至20的亚临界雷诺数下发生,但目前尚无相关实验证明该种现象的存在。本文首先研发了适用于低雷诺数流固耦合实验的旋转水槽,而后在此基础上开展了亚临界雷诺数下圆柱涡致振动实验,分别研... 详细信息

近年来,数值模拟结果表明圆柱涡致振动现象可在低至20的亚临界雷诺数下发生,但目前尚无相关实验证明该种现象的存在。本文首先研发了适用于低雷诺数流固耦合实验的旋转水槽,而后在此基础上开展了亚临界雷诺数下圆柱涡致振动实验,分别研究了支撑频率和雷诺数对涡致振动响应的影响。发现圆柱涡致振动存在的最低雷诺数为23,与数值模拟结果接近,证实了亚临界雷诺数涡致振动的存在;另外,发生亚临界涡致振动时,在尾迹区观测到了频率与圆柱振动频率一致的卡门涡脱,说明弹性支撑特性会使得流动稳定性降低,证实了相关数值模拟结果的正确性。

关键词：涡致振动亚临界雷诺数旋涡脱落锁频流固耦合圆柱绕流

内置压电悬臂梁的涡致振动圆管俘能结构实验研究

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机械科学与技术 2023年

作者：陈鹏林杉杉马雄飞李莉沈阳化工大学计算机科学与技术学院辽宁省化工过程工业智能化技术重点实验室

利用计算机仿真和水循环试验系统测试，分析了阻流体直径、间径比以及双俘能结构串列情况下内置压电悬臂梁柔性圆管涡致振动俘能结构的性能。结果表明：俘能结构的输出电压随着圆柱阻流体直径的增大而增大，随着间径比的增加先增加后降... 详细信息

利用计算机仿真和水循环试验系统测试，分析了阻流体直径、间径比以及双俘能结构串列情况下内置压电悬臂梁柔性圆管涡致振动俘能结构的性能。结果表明：俘能结构的输出电压随着圆柱阻流体直径的增大而增大，随着间径比的增加先增加后降低。当阻流体直径为0.03m，高为0.05m，间径比为3时，最优输出电压峰-峰值为5.83V。当两个参数完全相同的俘能结构串列放置试验时，两者的输出电压大不相同，第二个俘能结构的输出电压远大于第一个俘能结构。综合考虑两个俘能结构的电压值，当间径比为4时，得到两个结构产生的电压值分别为0.71V和5.24V，优于间径比为其他值的情况。

关键词：压电俘能器涡致振动压电悬臂梁压电能量收集

基于涡致振动的剪切模式压电俘能结构的数值模拟

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传感器与微系统 2023年第3期42卷 36-39,44页

作者：王永耀李莉于慧慧马雄飞陈鹏沈阳化工大学计算机科学与技术学院辽宁沈阳110142

提出了一种基于水下涡致振动的夹心式剪切模式压电俘能结构。将压电片夹在两金属板中间,金属板上端连接阻流圆管,金属板在振动过程会产生相对位移,使夹在中间的压电片产生切变,进而将机械能转换为电能。分别对前置阻流体的单个压电俘能... 详细信息

提出了一种基于水下涡致振动的夹心式剪切模式压电俘能结构。将压电片夹在两金属板中间,金属板上端连接阻流圆管,金属板在振动过程会产生相对位移,使夹在中间的压电片产生切变,进而将机械能转换为电能。分别对前置阻流体的单个压电俘能结构和前置阻流体的2个串列压电俘能结构,进行了流固耦合与压电耦合数值模拟,分析对比2种情况下的涡致振动能量收集性能。研究结果表明:2种情况下,压电俘能结构的振幅响应和电压均随着流速的增大而增大,在流速为1.2 m·s^(-1),中心距为5D时,产生的振幅和电压最大,单俘能结构情况下为6.743 2×10^(-4)m,两个俘能结构串列情况下,上游为7.241 5×10^(-4)m, 13.347 V,下游为1.942 6×10^(-4)m, 3.551 2 V。

关键词：涡致振动压电能量收集流固耦合压电耦合 d15模式

用于能量收集的基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构

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微纳电子技术 2023年第12期60卷 2011-2019页

作者：安然然荣凯超马雄飞陈鹏冯事成李莉沈阳化工大学计算机科学与技术学院沈阳110142 辽宁省化工过程工业智能化技术重点实验室沈阳110142

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘... 详细信息

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘能结构及并列双俘能结构等情况进行了研究,分析了这些结构的振动性能与压电特性。数值模拟与实验测试结果表明,风速、俘能结构间距、压电圆环直径以及俘能结构排列方式都会影响压电俘能结构性能。在数值分析中,并列双俘能结构输出电压最大,在当结构间距(L)与压电俘能结构外直径(D)之比为2、风速为7 m/s时,上下端俘能结构的最大输出电压分别为5.7和6.8 V,对应输出功率为165和193μW。实验测试中,在风速为7 m/s、L/D=2时输出电压出现最大值,其上端俘能结构的最大输出电压为3.7 V,输出功率为80μW;下端俘能结构的最大输出电压为5.2 V,输出功率为148μW。研究结果表明,双自由度嵌套式俘能结构及其阵列可适当提高结构的输出电压,可为研究涡致振动压电能量收集提供新的参考方案。

关键词：压电能量收集双自由度俘能结构涡致振动压电圆管 ANSYS

涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验

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农业机械学报 2014年第2期45卷 269-275页

作者：文晟张铁民杨秀丽卢玉华许志林华南农业大学工程学院广州510642

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学... 详细信息

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为。数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率。

关键词：压电俘能器涡致振动流场数值模拟

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基于涡致振动的压电能量收集阵列的研究

基于涡致振动的压电能量收集阵列的研究

作者：于慧慧沈阳化工大学

学位级别：硕士

近年来,无线传感器等微电子设备广泛应用于国防、环境监测、灾难预防等领域,依赖传统的化学电池为其供电,不仅对环境有一定的污染,而且某些场景电池更换困难,因此为无线微电子设备稳定持续的供能成为亟需解决的问题。涡致振动是自然界... 详细信息

近年来,无线传感器等微电子设备广泛应用于国防、环境监测、灾难预防等领域,依赖传统的化学电池为其供电,不仅对环境有一定的污染,而且某些场景电池更换困难,因此为无线微电子设备稳定持续的供能成为亟需解决的问题。涡致振动是自然界中一种常见的现象,利用涡致振动使压电材料产生周期性的机械振动,将机械能转化为电能为无线设备供电的研究受到了国内外研究者的广泛关注。当无线设备的供电需求较大时,单一的压电能量收集结构无法满足供电需求,而压电能量收集阵列更容易实现能量收集的规模化,可以为不同供能需求的无线设备提供电能。基于此,本文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行研究。首先建立并联双晶片压电悬臂梁涡致振动俘能结构的流-固-电耦合数学模型,通过范德波尔方程、尾流振子数学经验模型对该结构在风中的涡致振动进行数值计算,对参数进行无量纲化,结合等效电路,得到输出功率及能量转换效率表达式。然后利用ANSYS仿真软件对涡致振动下的压电能量收集阵列进行数值模拟,通过建立模型、设置边界条件和结果后处理进行流-固-电的耦合计算。先模拟前置阻流体的单俘能结构在不同风速和中心距下的俘能特性,仿真结果显示,前置阻流体的俘能结构直径D为20mm,在风速为6m/s,中心距为5D的条件下,输出电压峰值为4.35V,验证了结构的可行性。接着对串列、并列、错列、三角以及长方阵型的压电能量收集阵列进行仿真,结果表明,压电能量收集阵列随风速的增大呈现整体增大的趋势,随间距的增大呈现先增大后减小的变化趋势。错列和三角阵型的性能优于串列、并列阵型,长方阵型性能最优,在中心距为1.5D时,单一能量收集结构的输出电压峰值为10.65V。最后在与仿真条件相同的前提下,对压电俘能结构进行实验研究。根据理论分析和数值模拟条件,制备压电能量收集结构,设计并搭建风洞实验装置,测试几种形式的能量收集阵列中各结构的开路输出电压。实验结果表明,压电能量收集阵列的俘能特性规律与仿真结果基本一致,数值稍有差别。长方阵型的发电性能最优,在中心距为1.5D时,单一能量收集结构的输出电压峰值为9.98V。本文对压电能量收集阵列进行了理论建模、数值模拟和实验研究,为微电子设备的持续供电提供了一种可靠方案,对可再生能源技术的进步具有实际意义。

关键词：涡致振动压电能量收集阵列风能收集流-固-电耦合 ANSYS

基于涡致振动的阵列式压电俘能器接口电路研究

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基于涡致振动的阵列式压电俘能器接口电路研究

作者：王永耀沈阳化工大学

学位级别：硕士

当前,无线传感器网络节点通常依赖传统的化学电池供电,在某些应用场景,如原始森林、海洋等,为其更换电池较为困难,因此为无线传感器网络节点提供长期稳定的电能成为了亟需解决的问题。涡致振动是自然界中一种普遍的现象,利用涡致振动使... 详细信息

当前,无线传感器网络节点通常依赖传统的化学电池供电,在某些应用场景,如原始森林、海洋等,为其更换电池较为困难,因此为无线传感器网络节点提供长期稳定的电能成为了亟需解决的问题。涡致振动是自然界中一种普遍的现象,利用涡致振动使得压电俘能器产生周期性摆动,从而将振动能转化为电能为无线传感器网络节点供电成为了研究热点。当无线传感器网络节点供电需求较大时,单一结构压电俘能器无法满足供电需求,而阵列式压电俘能器则能够提供更高的电能。但是需要为阵列式压电俘能器设计合理的能量收集接口电路,以避免器件之间的电能损耗问题。因此,本文对基于涡致振动的阵列式压电俘能器接口电路进行研究。首先建立压电俘能器的机电耦合模型以及压电器件的等效电路模型,得到压电器件的开路电压和等效电流源的关系表达式,对SEH、S-SSHI、P-SSHI、SECE四种接口电路的工作原理进行分析,得到了四种电路的输出功率与负载电阻的关系式。通过分析得出在相同条件下,SEH接口电路输出功率最小,其他三种接口电路最大输出功率相当,而SECE接口电路的输出功率不受负载影响。S-SSHI接口电路由于在压电俘能器与整流电路之间串联了开关电感,为阵列式俘能器电能合并提供了窗口时间。因此在S-SSHI及SECE接口电路的基础上设计了针对阵列式压电俘能器的预处理接口电路和增强型同步电荷提取电路(ESECE),解决了阵列式多路电能整合的损耗问题,并且保证了在负载电阻变化时输出功率不受影响。然后利用Multisim仿真软件对阵列式压电俘能器预处理接口电路进行仿真,分别对单路和多路压电能量收集预处理电路,以及带ESECE接口电路的阵列式压电能量收集系统进行模拟。结果表明,不带ESECE的阵列式压电俘能器接口电路的输出功率与负载电阻的相关性较大,在负载电阻为100kΩ时达到了最大输出功率517u W;而带ESECE接口电路的阵列式压电俘能器接口电路的输出功率与负载电阻的相关性较小,在负载电阻大于100kΩ时输出功率不受负载电阻变化的影响,输出功率达到570u W。最后在与仿真条件相同的条件下,对阵列式压电俘能器接口电路进行了实验研究。搭建了实验及测试平台,使用示波器对各模块波形进行分析,实验结果与仿真波形基本一致。采用不带ESECE接口电路的阵列式压电俘能器接口电路的输出功率与负载电阻的相关性较大,在负载电阻为300kΩ时达到了最大输出功率524u W。带ESECE接口电路的阵列式压电俘能器接口电路输出功率与负载电阻的相关性较小,在负载电阻大于300kΩ时输出功率不受负载电阻的影响,输出功率达到了690u W。本文对涡致振动阵列式压电俘能器接口电路的理论分析、仿真及实验研究,为无线传感器网络节点的持续稳定供能提供了一种可行方案,对自然能源应用的发展具有实际意义。

关键词：能量收集接口电路机电耦合压电效应涡致振动