發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 00:48

　　 隨著科技技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)地球的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸加強(qiáng),人類對(duì)新能源的探索有了進(jìn)一步的深入研究,通過(guò)收集環(huán)境中的微小能源為小型設(shè)備持續(xù)供電成為新型能源研究的熱點(diǎn).海洋與河流中流體繞流鈍體形成的渦致振動(dòng)是自然界一種常見現(xiàn)象,渦致振動(dòng)現(xiàn)象可以在流速很低(1m/s)的情況下發(fā)生,且當(dāng)流體的脫渦頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng),是海底等低流速水下環(huán)境中可收集能源之一,近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)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(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行能量收集技術(shù)的研究,為水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(shù),微能源的獲取以及國(guó)內(nèi)外微能量收集結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,著重分析了渦致振動(dòng)壓電能量收集技術(shù)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(dòng)的相關(guān)機(jī)理,分析了雷諾數(shù)Re,斯特勞哈爾數(shù)S_t等參數(shù)對(duì)渦致振動(dòng)的影響,給出了流固耦合的動(dòng)力學(xué)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(duì)柔性圓管進(jìn)行了渦致振動(dòng)的數(shù)值模擬,通過(guò)設(shè)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(jì)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(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)比單柔性圓管和雙柔性圓管穩(wěn)定,且振動(dòng)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(dòng)幅值能達(dá)到5×10~(-4)m,組成陣列后的各柔性圓管的振動(dòng)響應(yīng)均比前面得到的結(jié)果要大,且剛性阻流體后第二個(gè)柔性圓管具有穩(wěn)定持續(xù)的振動(dòng)響應(yīng),在相同的條件下,其振動(dòng)幅值為2.3×10~(-3)m。通過(guò)將圓管頂端的振動(dòng)位移作為初始條件對(duì)壓電懸臂梁進(jìn)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(duì)壓電懸臂梁輸出電壓的影響,在最佳振動(dòng)條件下,柔性圓管的最大開路輸出電壓為55.7V。最后在實(shí)驗(yàn)探索中對(duì)渦致振動(dòng)壓電能量收集器進(jìn)行了制備,完成了對(duì)器件的加工組裝及結(jié)構(gòu)密封。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),完成了渦致振動(dòng)壓電能量收集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建,實(shí)驗(yàn)完成了壓電能量收集結(jié)構(gòu)的性能測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分析,得出了渦致振動(dòng)能量收集器的最低啟動(dòng)流速為0.65m/s的結(jié)論。本文對(duì)渦致振動(dòng)壓電能量收集技術(shù)進(jìn)行了理論分析,數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,為渦致振動(dòng)壓電能量收集器的實(shí)際制備與測(cè)試提供了參考,對(duì)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可再生能源技術(shù)的進(jìn)步具有非常重要的意義。
【學(xué)位單位】：沈陽(yáng)化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM619;TP212
【部分圖文】：

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

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

存儲(chǔ)，以此達(dá)到為微型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其它微型控制器供電的目的。根據(jù)電學(xué)效應(yīng)的分類，將振動(dòng)能量俘能器分為靜電式振動(dòng)能量俘能器、壓電式振俘能器以及電磁式振動(dòng)能量俘能器三大類。各類振動(dòng)能量俘能器利用不同的材工藝和換能原理，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用前景十分廣闊[27]，國(guó)內(nèi)外的研對(duì)此展開了大量的科學(xué)研究。 靜電式振動(dòng)能量收集器靜電式的振動(dòng)能量俘能器是由外部電源（或駐極體）、可變量電容和諧振機(jī)構(gòu)構(gòu)成振動(dòng)俘能器的靜電效應(yīng)使可變電容兩端產(chǎn)生相異的電荷，并在振動(dòng)的作用下使電滑移從而在回路中電荷移動(dòng)產(chǎn)生電流實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在加速度逐漸增加到 1.2m/s2，振動(dòng)頻在 10Hz 時(shí)，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(shí)物圖。
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本文編號(hào)：2879992