隨著科技技術的快速發(fā)展,人們對地球的環(huán)境保護意識逐漸加強,人類對新能源的探索有了進一步的深入研究,通過收集環(huán)境中的微小能源為小型設備持續(xù)供電成為新型能源研究的熱點.海洋與河流中流體繞流鈍體形成的渦致振動是自然界一種常見現(xiàn)象,渦致振動現(xiàn)象可以在流速很低(1m/s)的情況下發(fā)生,且當流體的脫渦頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時會產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的簡諧振動,是海底等低流速水下環(huán)境中可收集能源之一,近年來受到了學術界的重視。本文主要利用內(nèi)置壓電懸臂梁的柔性圓管在低流速水下環(huán)境中產(chǎn)生的渦致振動現(xiàn)象進行能量收集技術的研究,為水下無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點提供持續(xù)、穩(wěn)定且環(huán)保的能源。首先介紹了微能源技術,微能源的獲取以及國內(nèi)外微能量收集結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和存在的問題,著重分析了渦致振動壓電能量收集技術的研究現(xiàn)狀,并提出了論文的研究方向。其次研究了渦致振動的相關機理,分析了雷諾數(shù)Re,斯特勞哈爾數(shù)S_t等參數(shù)對渦致振動的影響,給出了流固耦合的動力學方程,研究了流固耦合的浸入邊界數(shù)值模擬算法。接著針對柔性圓管進行了渦致振動的數(shù)值模擬,通過設定模型的初始條件和基本參數(shù)建立了三維流固耦合數(shù)值計算模型,數(shù)值模擬結(jié)果顯示,剛性阻流體加柔性圓管結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)遠比單柔性圓管和雙柔性圓管穩(wěn)定,且振動幅值較大,在流速為1.1m/s,圓管直徑為0.02m,高度為0.08m,與阻流體距離為0.06m的情況下,柔性圓管的振動幅值能達到5×10~(-4)m,組成陣列后的各柔性圓管的振動響應均比前面得到的結(jié)果要大,且剛性阻流體后第二個柔性圓管具有穩(wěn)定持續(xù)的振動響應,在相同的條件下,其振動幅值為2.3×10~(-3)m。通過將圓管頂端的振動位移作為初始條件對壓電懸臂梁進行了壓電耦合數(shù)值模擬,分析了柔性圓管與鈍體間距、圓管高度和流速對壓電懸臂梁輸出電壓的影響,在最佳振動條件下,柔性圓管的最大開路輸出電壓為55.7V。最后在實驗探索中對渦致振動壓電能量收集器進行了制備,完成了對器件的加工組裝及結(jié)構(gòu)密封。設計了實驗系統(tǒng),完成了渦致振動壓電能量收集實驗平臺的搭建,實驗完成了壓電能量收集結(jié)構(gòu)的性能測試與分析。實驗測得在流速0.5m/s,能量收集結(jié)構(gòu)半徑0.01m,高度0.08m條件下,能量收集結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平均電壓值為294mV。經(jīng)過對數(shù)值模擬和實驗測試結(jié)果的分析,得出了渦致振動能量收集器的最低啟動流速為0.65m/s的結(jié)論。本文對渦致振動壓電能量收集技術進行了理論分析,數(shù)值模擬和實驗研究,為渦致振動壓電能量收集器的實際制備與測試提供了參考,對水下無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展和可再生能源技術的進步具有非常重要的意義。
【學位單位】：沈陽化工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM619;TP212
【部分圖文】：

1.3 振動能量收集結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀機械振動能是自然界中極為常見的一種能量存在形式，例如汽車運行振動，風動，噪聲振動等。目前，對以收集振動能的能量俘能器的研究逐漸引人關注。微型能量俘能器可以將環(huán)境中廣泛存在的機械振動能轉(zhuǎn)換成電能，并通過一系列能量收路對其進行收集，存儲，以此達到為微型無線網(wǎng)絡及其它微型控制器供電的目的根據(jù)電學效應的分類，將振動能量俘能器分為靜電式振動能量俘能器、壓電式能量俘能器以及電磁式振動能量俘能器三大類。各類振動能量俘能器利用不同的加工工藝和換能原理，實現(xiàn)振動能向電能的轉(zhuǎn)換，應用前景十分廣闊[27]，國內(nèi)外的學者對此展開了大量的科學研究。1.3.1 靜電式振動能量收集器靜電式的振動能量俘能器是由外部電源（或駐極體）、可變量電容和諧振機構(gòu)構(gòu)利用振動俘能器的靜電效應使可變電容兩端產(chǎn)生相異的電荷，并在振動的作用下使圖 1-1 電磁式微型轉(zhuǎn)動風能收集器 圖 1-2 壓電式微型轉(zhuǎn)動風能收集器

1.3 振動能量收集結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀機械振動能是自然界中極為常見的一種能量存在形式，例如汽車運行振動，風動，噪聲振動等。目前，對以收集振動能的能量俘能器的研究逐漸引人關注。微型能量俘能器可以將環(huán)境中廣泛存在的機械振動能轉(zhuǎn)換成電能，并通過一系列能量收路對其進行收集，存儲，以此達到為微型無線網(wǎng)絡及其它微型控制器供電的目的根據(jù)電學效應的分類，將振動能量俘能器分為靜電式振動能量俘能器、壓電式能量俘能器以及電磁式振動能量俘能器三大類。各類振動能量俘能器利用不同的加工工藝和換能原理，實現(xiàn)振動能向電能的轉(zhuǎn)換，應用前景十分廣闊[27]，國內(nèi)外的學者對此展開了大量的科學研究。1.3.1 靜電式振動能量收集器靜電式的振動能量俘能器是由外部電源（或駐極體）、可變量電容和諧振機構(gòu)構(gòu)利用振動俘能器的靜電效應使可變電容兩端產(chǎn)生相異的電荷，并在振動的作用下使圖 1-1 電磁式微型轉(zhuǎn)動風能收集器 圖 1-2 壓電式微型轉(zhuǎn)動風能收集器

存儲，以此達到為微型無線網(wǎng)絡及其它微型控制器供電的目的。根據(jù)電學效應的分類，將振動能量俘能器分為靜電式振動能量俘能器、壓電式振俘能器以及電磁式振動能量俘能器三大類。各類振動能量俘能器利用不同的材工藝和換能原理，實現(xiàn)振動能向電能的轉(zhuǎn)換，應用前景十分廣闊[27]，國內(nèi)外的研對此展開了大量的科學研究。 靜電式振動能量收集器靜電式的振動能量俘能器是由外部電源（或駐極體）、可變量電容和諧振機構(gòu)構(gòu)成振動俘能器的靜電效應使可變電容兩端產(chǎn)生相異的電荷，并在振動的作用下使電滑移從而在回路中電荷移動產(chǎn)生電流實現(xiàn)了振動能到電能的轉(zhuǎn)換。例如卜靈、伍曉明等研究人員所制備的新型靜電式振動能量俘能器[28]如圖 1-3，器采用聚四氟乙烯體材料的駐極體俘能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)較此前利用靜電式獲取電能器輸出功率有了顯著提高。其實驗驗證：在加速度逐漸增加到 1.2m/s2，振動頻在 10Hz 時，該俘能器的最大輸出功率峰值為 30uW，穩(wěn)定后的平均功率為 5.5uW-4 為該能量收集結(jié)構(gòu)的實物圖。
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