本文關(guān)鍵詞：雙圓柱渦激耦合振動(dòng)下的壓電俘能研究

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【摘要】：近年來,壓電發(fā)電作為一種新型能源引起了人們的廣泛關(guān)注。在自然界中振動(dòng)無處不在,而壓電材料可以將周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能,持續(xù)的輸出能量。這就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)化學(xué)電池壽命有限的缺陷,降低了維修成本。其中,流致振動(dòng)作為一種最常見的振動(dòng)形式常被當(dāng)做壓電俘能器的能量來源。在以往的研究中,大都以單個(gè)壓電俘能器作為研究對象,分析其俘能性能。但是,在實(shí)際應(yīng)用中往往要在有限的區(qū)域內(nèi)放置多個(gè)壓電俘能器,來提高空間利用率及俘能效率。而多個(gè)俘能器之間的相互耦合作用對它們的俘能性能有很大的影響。本文以水中兩個(gè)尺寸相同的俘能器為研究對象,結(jié)合流體力學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué)以及壓電學(xué)等方面的知識,建立了壓電俘能器的等效數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用等效原理推到出了等效質(zhì)量及等效剛度的表達(dá)公式,并運(yùn)用MATLAB求解相關(guān)方程。另外,通過仿真和實(shí)驗(yàn)等方法求解出了數(shù)學(xué)模型中的其他等效參數(shù)。兩俘能器之間的相互耦合作用使其受到的流體力比較復(fù)雜,沒有可供使用的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算。本文運(yùn)用FLUENT流體仿真軟件模擬雙俘能器的流場,利用其求解器來計(jì)算兩個(gè)俘能器的受力大小,并結(jié)合UDF程序求解兩俘能器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電壓輸出,用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)更新兩俘能器的位置,實(shí)現(xiàn)雙圓柱渦激耦合振動(dòng)壓電俘能的流體仿真。在仿真的過程中,通過改變兩個(gè)俘能器的排列方式、間距比以及流場流速,得到了它們在不同條件下的輸出電壓。根據(jù)仿真結(jié)果,分析了兩俘能器俘能性能與這些因素的關(guān)系。最終通過與孤立俘能器對比發(fā)現(xiàn),兩個(gè)俘能器之間的耦合作用很大程度的改變了它們各自的俘能性能。為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型及流體仿真的正確性,搭建了明渠實(shí)驗(yàn)平臺,制作了俘能器模型,并利用相關(guān)測量工具及采集程序進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,驗(yàn)證了本文數(shù)學(xué)模型及流體仿真的正確性。
【關(guān)鍵詞】：雙俘能器 耦合 流體仿真 俘能性能
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-20
• 1.1 課題背景及研究意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-18
• 1.2.1 渦激振動(dòng)理論10-12
• 1.2.2 雙圓柱渦激振動(dòng)的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.3 傳統(tǒng)的壓電俘能研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.4 基于渦激振動(dòng)的壓電俘能研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析18
• 1.4 本課題主要研究內(nèi)容18-20
• 第2章 俘能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及等效參數(shù)求解20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 雙圓柱渦激耦合振動(dòng)俘能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型20-21
• 2.3 數(shù)學(xué)模型的建立21-30
• 2.3.1 等效剛度23-25
• 2.3.2 等效質(zhì)量25-27
• 2.3.3 等效阻尼27-29
• 2.3.4 壓電梁的等效機(jī)電耦合系數(shù)29-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第3章 FLUENT流體仿真及俘能特性分析31-53
• 3.1 引言31
• 3.2 FLUENT流體仿真原理31-33
• 3.2.1 FLUENT動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用與計(jì)算流程的確定31-32
• 3.2.2 FLUENT流體仿真計(jì)算模型的建立32-33
• 3.3 串行雙圓柱渦激耦合振動(dòng)壓電俘能特性分析33-46
• 3.3.1 上游俘能器振動(dòng)特性及其俘能特性分析35-40
• 3.3.2 下游俘能器振動(dòng)特性及其俘能特性分析40-44
• 3.3.3 上下游俘能器相互影響的流場分析44-46
• 3.4 并行雙圓柱渦激耦合振動(dòng)壓電俘能特性分析46-52
• 3.4.1 左側(cè)俘能器振動(dòng)特性及其俘能性能分析47-50
• 3.4.2 左右兩俘能器相互影響的流場分析50-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 第4章 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 明渠實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和搭建53-57
• 4.2.1 明渠實(shí)驗(yàn)平臺及其附件的設(shè)計(jì)53-56
• 4.2.2 測量用具及軟件平臺56-57
• 4.3 明渠實(shí)驗(yàn)平臺的原理及調(diào)試57-58
• 4.3.1 明渠實(shí)驗(yàn)平臺的原理57
• 4.3.2 明渠實(shí)驗(yàn)平臺的調(diào)試57-58
• 4.4 雙圓柱渦激耦合振動(dòng)壓電俘能的實(shí)驗(yàn)研究58-61
• 4.4.1 串行雙俘能器上游俘能器的俘能特性58-59
• 4.4.2 串行雙俘能器下游俘能器的俘能特性59-60
• 4.4.3 并行雙俘能器左側(cè)俘能器的俘能特性60-61
• 4.5 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 致謝68

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：681260