有限流道內鈍體-壓電片系統(tǒng)能量轉換特性實驗研究.pdf

1、鈍體是在生活中隨處可見的一種非流線型的結構體，鈍體繞流是自然界中普遍存在的一種物理現(xiàn)象，這種看似簡單的物理現(xiàn)象實際上包含了極其復雜的流動機理。當鈍體的固定方式為彈性支撐或者允許發(fā)生形變的時候，鈍體兩側因旋渦脫落而產生的脈動作用力會使鈍體產生周期性的振動，振動的鈍體會對其周圍流場產生進一步的影響，這種流體與鈍體之間相互影響和作用被稱為流致振動(Flow-induced motion，F(xiàn)IM)。在工程領域中，結構體在流致振動的影響下持續(xù)受力

2、產生振動進而出現(xiàn)疲勞破壞，同時也說明了這種現(xiàn)象本身具有較多可以利用的能量。由于流致振動及鈍體繞流中旋渦脫落在低速來流條件下就會發(fā)生，如能利用旋渦脫落時引起的振動進行發(fā)電，相比傳統(tǒng)的發(fā)電技術，這類裝置中將不存在任何轉動部件，沒有滑動或滾動摩擦，更適合將裝置微型化。
　　本文主要針對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)進行了風洞實驗研究，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度對鈍體

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)進行能量收集提供一定的理論依據。獲得的主要結論如下：
　　首先針對不同長度壓電片的方柱-壓電片系統(tǒng)進行了風洞試驗，研究了壓電片長度對方柱-壓電片系統(tǒng)能量收集特性的影響。實驗發(fā)現(xiàn)來流速度對方柱-壓電片系統(tǒng)的輸出電壓有直接影響。隨著來流速度的增大，壓電片自由端的振幅增加，振動頻率減小。在壓電片長度較短時，其振動頻率與方柱尾渦脫落頻率相近或相等時會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，輸出電壓會急劇上升。隨

4、風速增加，在共振點之后會出現(xiàn)一個輸出電壓穩(wěn)定的過渡區(qū)域。當壓電片靠近固定端的部分開始參與振動時，標志著過渡階段的結束，風速達到臨界風速，輸出電壓再次出現(xiàn)快速增長。
　　然后，本文對前端鈍體為三角柱、梯形柱和反向梯形柱的鈍體-壓電片系統(tǒng)進行了風洞實驗，研究了前端鈍體截面形狀對系統(tǒng)輸出電壓的影響。研究結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，鈍體周圍流動邊界層發(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)的流動邊界層在背風面棱邊處發(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)的流動邊界層都是在迎風封面處發(fā)生分離。由于反向梯形柱在迎風面后方垂直于鈍體來流方向的寬度一直在減小，對在迎風面棱邊處發(fā)生分離的邊界層影響減弱，減少了對旋渦形成和脫落的阻礙，其電壓輸出表現(xiàn)強于方柱-壓電片系統(tǒng)。
　　綜合本文的研究結論，反向梯形柱-壓電片系統(tǒng)電壓輸出在各個工況下的表現(xiàn)都比較好，尤