有限流道內(nèi)鈍體-壓電片系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)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(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，這種看似簡單的物理現(xiàn)象實際上包含了極其復(fù)雜的流動機理。當(dāng)鈍體的固定方式為彈性支撐或者允許發(fā)生形變的時候，鈍體兩側(cè)因旋渦脫落而產(chǎn)生的脈動作用力會使鈍體產(chǎn)生周期性的振動，振動的鈍體會對其周圍流場產(chǎn)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(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)體在流致振動的影響下持續(xù)受力

2、產(chǎn)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(shù)，這類裝置中將不存在任何轉(zhuǎn)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(fēng)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(jù)。獲得的主要結(jié)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(fēng)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(fēng)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(dāng)壓電片靠近固定端的部分開始參與振動時，標(biāo)志著過渡階段的結(jié)束，風(fēng)速達到臨界風(fēng)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(fēng)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(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，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(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流方向的寬度一直在減小，對在迎風(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(jié)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