有限流道內(nèi)鈍體-壓電片系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鈍體是在生活中隨處可見(jiàn)的一種非流線型的結(jié)構(gòu)體，鈍體繞流是自然界中普遍存在的一種物理現(xiàn)象，這種看似簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象實(shí)際上包含了極其復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)理。當(dāng)鈍體的固定方式為彈性支撐或者允許發(fā)生形變的時(shí)候，鈍體兩側(cè)因旋渦脫落而產(chǎn)生的脈動(dòng)作用力會(huì)使鈍體產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，振動(dòng)的鈍體會(huì)對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，這種流體與鈍體之間相互影響和作用被稱(chēng)為流致振動(dòng)(Flow-induced motion，F(xiàn)IM)。在工程領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)體在流致振動(dòng)的影響下持續(xù)受力

2、產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而出現(xiàn)疲勞破壞，同時(shí)也說(shuō)明了這種現(xiàn)象本身具有較多可以利用的能量。由于流致振動(dòng)及鈍體繞流中旋渦脫落在低速來(lái)流條件下就會(huì)發(fā)生，如能利用旋渦脫落時(shí)引起的振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，相比傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，這類(lèi)裝置中將不存在任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，沒(méi)有滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦，更適合將裝置微型化。
　　本文主要針對(duì)不同截面形狀鈍體和不同壓電片參數(shù)的鈍體-壓電片系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，分析系統(tǒng)輸出電壓、輸出電壓頻率及平均峰值電壓曲線，了解鈍體截面形狀和壓電片長(zhǎng)度對(duì)鈍體

3、-壓電片系統(tǒng)能量輸出特性的影響，為利用鈍體-壓電片系統(tǒng)進(jìn)行能量收集提供一定的理論依據(jù)。獲得的主要結(jié)論如下：
　　首先針對(duì)不同長(zhǎng)度壓電片的方柱-壓電片系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了壓電片長(zhǎng)度對(duì)方柱-壓電片系統(tǒng)能量收集特性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來(lái)流速度對(duì)方柱-壓電片系統(tǒng)的輸出電壓有直接影響。隨著來(lái)流速度的增大，壓電片自由端的振幅增加，振動(dòng)頻率減小。在壓電片長(zhǎng)度較短時(shí)，其振動(dòng)頻率與方柱尾渦脫落頻率相近或相等時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，輸出電壓會(huì)急劇上升。隨

4、風(fēng)速增加，在共振點(diǎn)之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輸出電壓穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)域。當(dāng)壓電片靠近固定端的部分開(kāi)始參與振動(dòng)時(shí)，標(biāo)志著過(guò)渡階段的結(jié)束，風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速，輸出電壓再次出現(xiàn)快速增長(zhǎng)。
　　然后，本文對(duì)前端鈍體為三角柱、梯形柱和反向梯形柱的鈍體-壓電片系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了前端鈍體截面形狀對(duì)系統(tǒng)輸出電壓的影響。研究結(jié)果表明鈍體形狀是鈍體-壓電片系統(tǒng)輸出電壓的重要影響因素。鈍體形狀發(fā)生改變時(shí)，鈍體周?chē)鲃?dòng)邊界層發(fā)生分離以及旋渦脫落的位置都不盡相同。三

5、角柱和梯形柱-壓電片系統(tǒng)的流動(dòng)邊界層在背風(fēng)面棱邊處發(fā)生分離并脫落，且脫體旋渦不再受鈍體影響而直接作用在壓電片上。反向梯形柱和方柱-壓電片系統(tǒng)的流動(dòng)邊界層都是在迎風(fēng)封面處發(fā)生分離。由于反向梯形柱在迎風(fēng)面后方垂直于鈍體來(lái)流方向的寬度一直在減小，對(duì)在迎風(fēng)面棱邊處發(fā)生分離的邊界層影響減弱，減少了對(duì)旋渦形成和脫落的阻礙，其電壓輸出表現(xiàn)強(qiáng)于方柱-壓電片系統(tǒng)。
　　綜合本文的研究結(jié)論，反向梯形柱-壓電片系統(tǒng)電壓輸出在各個(gè)工況下的表現(xiàn)都比較好，尤