水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法_CN109799396A
涡激振动作用下压电悬臂梁俘能器的仿真分析
uit+uiujxi=1ρpxi+νΔ2ui（3）
式中，ui为i方向的速度分量;xi为i方向的坐标分量;ρ为流体密度;p为压力。
压电俘能器的控制方程为
M（t）+C（t）+Kx（t）=F（t）-ΘVp（t）（4）
Θx（t）-CpVp（t）=Qp（t）（5）
式中，M、K、C分别代表俘能器的等效质量、等效刚度、等效阻尼;Θ为机电耦合系数;Cp为俘能器电容;Vp为俘能器输出电压;Qp为俘能器产生的电荷量;F为外部振动激励;x为俘能器的位移。
作者简介：;;王世龙（1994-），男，硕士研究生，主要研究方向为计算流体力学分析及压电能量收集。
通信作者：;;王海峰，男，博士，副教授，主要研究方向为机电一体化系统设计及计算流体力学分析。Email：;17194456@
近年来，低功耗电子器件日渐成熟，传统化学电池因体积大，寿命短等因素，无法满足工程需求，利用压电器件收集环境中丰富的振动能量代替传统化学电池为其供能成为可能。空气流场中包含颤振、抖振、驰振、涡激（卡门涡街）振动等[1]四种不同的振动方式，其中涡激振动作为一种常见的风致振动现象，因其引发的振动极具周期性与稳定性，与另外3种振动方式相比更具研究价值。G.W.Taylor等人[2]首先将柔性压电薄膜偏聚氟乙烯（polyvinylidene;fluoride，PVDF）固定在圆柱后方，利用水流冲击圆柱产生的卡门涡街，使柔性压电薄膜像鳗鱼一样来回摆动产生电压;H.D.Akaydin等人[3]对一个直径为19.8;mm的钝体后放置的压电装置进行风洞模拟，获得了0.1;mW的输出功率;E.MolinoMineroRe等人[4]对在水中圆柱钝体后放置的压电悬臂梁装置进行验证，在圆柱直径为8;mm时，获得最大功率為0.31;mW;A.Mehmood等人[5]对低雷诺数、高质量比的涡激振动压电能量收集系统进行相关计算，压电装置的输出功率达到10;μW;W.Hobbs等人[6]使用弹性橡胶棒将圆柱钝体与压电片相连，将装置竖直插在地面上，利用圆柱钝体自身的涡激振动带动压电片振动，当风速在1～3;m/s时，输出功率为96;μW。以往研究中，研究者一般通过实验的方法对俘能器的各项参数进行分析与改进[7-15]，对卡门涡街与压电片之间的相互作用缺少仿真及理论分析。因此，本文基于ANSYS有限元仿真软件，建立流场-结构-压电三场耦合模型，并进行多物理场耦合分析。分析结果表明，柔性压电片所发出的电压波形接近正弦信号，其主要原因是卡门涡街改变了柔性压电片两侧的压差，从而使压电片产生周期性振动。该研究为俘能器的设计提供了理论基础。
流体自激压力脉冲震荡发生装置及使用方法
流体自激压力脉冲震荡发生装置及使用方法
一、背景
流体自激压力在许多领域的应用中发挥着重要的作用，被广泛应用于船舶、空气动力
系统、机械设备等领域。
然而，传统的流体自激压力受到温度、压力、湿度等外界环境因
素的影响，因而容易引起流体自激压力变化，进而影响流体的使用效果，出现不稳定现象。
二、技术方案
为了解决流体自激压力变化的问题，本发明提供了一种新型的流体自激压力脉冲震荡
发生装置。
该装置包括流体通道，流体通道中安装有可控制流体送入/排出的开关，以及
安装在流体通道上的控制装置。
60*KzJ]
控制装置由控制器和触发器构成，控制器可根据程序自动控制开关打开/关闭，以达
到调整流体进出通道的目的，触发器可根据控制器的指令自动调整开关的开闭角度，实现
精确的流体调整。
三、使用方法
本发明的流体自激压力脉冲震荡发生装置在使用时，需要操作者先将流体通道中开关
全部打开，然后将装置接入电源，启动控制器，根据操作者的需求配置不同的参数，例如
调整时间、流量等，控制器根据设定的参数自动调整开关的角度，可以实现流体脉动和震荡，以调整流体压力，实现稳定失控的目的。
涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验
涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验文晟;张铁民;杨秀丽;卢玉华;许志林【摘要】基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmhohz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能.采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为.数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2014(045)002【总页数】7页(P269-275)【关键词】压电俘能器;涡致振动;流场;数值模拟【作者】文晟;张铁民;杨秀丽;卢玉华;许志林【作者单位】华南农业大学工程学院,广州510642;华南农业大学工程学院,广州510642;华南农业大学工程学院,广州510642;华南农业大学工程学院,广州510642;华南农业大学工程学院,广州510642【正文语种】中文【中图分类】TN384引言压电材料具有压电效应，可直接把环境中的动能（机械能、流体动能等）转换为电能，而且结构简单易于整合，因此利用风能的微型压电俘能器是农业环境中无线传感器网络节点较为理想的能量源。
典型的微型风力压电俘能器为风车式［1－5］，其工作原理是利用风力带动叶片旋转，再通过压电材料把叶片旋转的机械能转换为电能输出。
但风车式压电俘能器加工及装配工艺较复杂，而且有旋转机构需定期维护，特别是当风扇叶片和风速均减小时，其能量转换效率将大幅度降低［6］。
流体经过非流线型物体时，在一定条件下会在物体两侧周期性地脱落出旋向相反、排列规则的漩涡即卡门涡街（Karman vortex street）。
一种柱体涡激振动试验装置[发明专利]
![一种柱体涡激振动试验装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/eed97acb2f60ddccdb38a075.png)
专利名称：一种柱体涡激振动试验装置专利类型：发明专利
发明人：冯云丽,李孙伟,张晓华
申请号：CN202010033746.8
申请日：20200113
公开号：CN111089697A
公开日：
20200501
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种柱体涡激振动试验装置，包括固定架、弹性支撑装置和实验柱体，固定架具有沿水流方向设置的第一组滑动轨道，弹性支撑装置包括可移动支撑杆、滚轮、第二组滑动轨道、第一组弹性件和第二组弹性件，可移动支撑杆垂直于水流方向，可移动支撑杆与滚轮相连并通过滚轮可沿第一组滑动轨道移动，第一组弹性件沿水流方向设置在固定架上，可移动支撑杆连接在第一组弹性件中间，第二组滑动轨道沿竖直方向设置并与可移动支撑杆相连，第二组弹性件限位在第二组滑动轨道内，实验柱体通过第二组弹性件与可移动支撑杆相连。
使用该试验装置，能够使柱体涡激振动试验的工况设置更为灵活，从而降低试验成本；同时可提高试验结果的准确性。
申请人：清华大学深圳国际研究生院
地址：518055 广东省深圳市南山区西丽街道深圳大学城清华校区A栋二楼
国籍：CN
代理机构：深圳新创友知识产权代理有限公司
代理人：王震宇
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压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究
压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究宋汝君;单小彪;李晋哲;谢涛【摘要】针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器.该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出.通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律.实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MQ、流速为0.41 m/s时,实验测试得到了8.3 μW的最大输出功率.数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)002【总页数】7页(P55-60,79)【关键词】水流;涡激振动;压电俘能器;俘能【作者】宋汝君;单小彪;李晋哲;谢涛【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨;哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨;东北林业大学机电工程学院,150040,哈尔滨;哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TN384;TP211随着集成电路、MEMS和微传感器等低能耗电子产品的发展,电池供能的方式存在质量大、体积大、存储有限、需要定期更换等诸多弊端,因此亟需一种可持续的能源供给方式。
同时,环境振动能分布广泛,有水动能、风动能、潮汐能、机械振动能等,其中水动能是一种清洁的可再生能源。
压电俘能器是一种结构简单、环境友好、使用寿命长久和无电磁干扰的振动能转换装置,可转换水动能为电能,能够满足低能耗电子产品的供能需求[1]。
既往的研究中,压电俘能器的研究重点集中在俘能器本身结构和俘能性能上,忽略了压电俘能器与环境振动的相互耦合影响[2-3]。
定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法[发明专利]
![定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b08f140e856a561253d36f95.png)
专利名称：定常流中涡激振动的实验装置及其使用方法专利类型：发明专利
发明人：王坤鹏,迟庆海,郭建廷,施奇,杨大明,谢仪
申请号：CN201810768152.4
申请日：20180713
公开号：CN108597344A
公开日：
20180928
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种定常流中的涡激振动实验装置及其使用方法，实验装置包括连接架装置，弹性支撑装置和圆柱体调节装置；连接架装置设有相互对称并各由两个杆组成的第一垂直杆组和第二垂直杆组，两连接杆组连接弹性支撑装置和圆柱体调节装置；圆柱体调节装置由圆柱体和竖直连接杆组成；弹性支撑装置设若干双向滑轨，双向滑轨连接于第一垂直杆组两杆之间和第二垂直杆组两杆之间，双向滑轨上设有双向滑块，圆柱体的两端通过竖直连接杆与其两侧的双向滑块相连接，所述竖直连接杆上固定有传感器。
本发明实验装置能够在定常流场中测得多个双自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动实验数据，对多圆柱体的涡激振动机理及其应用起到指导作用。
申请人：江苏科技大学
地址：212008 江苏省镇江市京口区梦溪路2号
国籍：CN
代理机构：南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：柏尚春
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一种压电式振动俘能器[发明专利]
![一种压电式振动俘能器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d5b369a4f7ec4afe05a1df65.png)
专利名称：一种压电式振动俘能器专利类型：发明专利
发明人：左言言,吴传刚
申请号：CN201610338635.1
申请日：20160520
公开号：CN106026767A
公开日：
20161012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种压电式振动俘能器，本发明的压电式振动俘能器采用中空六棱柱形外壳，外壳的内侧面布置两层梁，每层等角度布置三个梁，梁的上下表面各布置一个压电片，壳体中间布置一个上粗下细的圆台体，圆台体底端与六棱柱形外壳底部螺纹连接，当圆台体旋入六棱柱形壳体底部螺纹一半长度时，梁和圆台体之间刚好接触。
本发明利用压电片的d31耦合工作模式，即作用力方向与压电片的极化方向垂直，采用梁结构回收发动机的振动能量，将振动能量转变为有用的电能，优点在于俘能器的共振频带较宽，振动能量回收效率高。
申请人：江苏大学
地址：212013 江苏省镇江市京口区学府路301号
国籍：CN
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磁力增强涡激振动压电俘能器仿真及实验
磁力增强涡激振动压电俘能器仿真及实验
曹东兴;丁相栋;张伟;姚明辉
【期刊名称】《振动.测试与诊断》
【年(卷),期】2022(42)3
【摘要】为了提高低流速水流环境的俘能特性,基于涡激振动原理和压电振动能量采集技术,提出一种磁力增强涡激振动俘能器。
该俘能器由压电层合悬臂梁、尾端圆柱绕流体和磁铁组成。
首先,通过流-固-电耦合有限元仿真,分析了无附加磁力涡激振动压电俘能器的俘能特性,可知其低流速环境下俘能效率较低;其次,搭建流致振动俘能器实验平台,研究了磁力增强俘能器的俘能特性。
实验结果表明:在横斥纵吸磁铁布置情况下,压电俘能器结构的固有频率较低,在较低流速下更容易起振,且达到涡激共振所需的流速范围较低;在磁场力的作用下其振动变形较大,输出电压较高,振动频带较宽;当水流流速为0.5 m/s时,磁力增强压电俘能器的输出功率均方根值达到120μW,较无附磁情况的压电俘能器提高了57.8%,这表明横斥纵吸附磁式涡激振动压电俘能器在较低流速流场环境中具有更高的俘能效率。
【总页数】8页(P530-536)
【作者】曹东兴;丁相栋;张伟;姚明辉
【作者单位】北京工业大学材料与制造学部;机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室;天津工业大学人工智能学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1;TN712.5
【相关文献】
1.压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究
2.涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究
3.涡激振动作用下压电悬臂梁俘能器的仿真分析
4.基于涡致振动的T型悬臂梁压电俘能结构的仿真与实验研究
5.基于涡激振动-颤振的压电俘能系统设计
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(51)Int .Cl . G01R 29/22(2006 .01) H02N 2/18(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109799396 A (43)申请公布日 2019.05.24
( 54 )发明 名称 水流中 涡激振动压电 俘能 器的 实验装置及
其使用方法 ( 57 )摘要
所述的压电俘能装置包括结构一、结构二和结构三； 所述结构一包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(17) ，螺杆(24)通过螺母(25)放置在夹持 梁(17)的通孔中；在夹持梁(17)下面的螺杆(24)上放置带有通孔的上调距板(19) ，夹具体 (26)放置在螺杆(24)的最下端，夹持块(18)通过螺钉(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹 具体 (26) 中 ；压电 悬臂梁 (20) 自由 端与圆柱绕流体 (29) 相接 ，圆柱绕流体 (29) 内部嵌入受 激永磁铁(28) ；上调距板(19)和下调距板(23)中间放置两根支撑杆(21) ；激励永磁铁(30) 通过磁铁夹具(22)分别安装在两根支撑杆(21)上； 所述结构二包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(33) ，螺杆(31)通过螺母(32)放置在夹持 梁(33)的通孔中，螺杆(31)末端放置夹具体(37) ，夹持块(34)通过螺钉(36)将压电悬臂梁 (35) 夹持固定在夹具体 (37) 中 ；压电 悬臂梁 (35) 自由 端与圆柱绕流体 (43) 相接 ，圆柱绕流 体(43)内部嵌入受激永磁铁(42)；所述结构二装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(41) ， 螺杆(39)通过螺母(40)放置在夹持梁(41)的通孔中，上调距板(44)和下调距板(47)中间放 置两根支撑杆 (45) ，激励永磁铁(46)通过磁铁夹具 (38)分别安装在两根支撑杆 (45)上 ； 所述结构三包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(50) ，螺杆(48)通过螺母(49)放置在夹持 梁(50)的通孔中 ，螺杆(48)末端加工有一排调距通孔，夹具体(51)通过螺钉固定在螺杆 (48) 末端的 调距通孔中 ；夹持片 (52) 通过螺钉将压电 悬臂梁 (53) 夹持固定在夹具体 (51) 中 ，压电 悬臂梁 (53) 自由 端与圆柱绕流体 (59) 相接 ，圆柱绕流体 (59) 内部嵌入受激永磁铁 (58) ；所述结构三装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(57)，螺杆(55)通过螺母(56)放置 在夹持梁(57)的通孔中，螺杆(55)下端放置带有通孔的上调距板(63) ，上调距板(63)和下 调距板(62)中间放置两根支撑杆(60) ，激励永磁铁(61)通过磁铁夹具(54)安装在支撑杆 (60)上。 2 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述水 槽(2)整体结构采用有机玻璃加工而成； 所述蜂窝器(3)采用六角格子塑料蜂窝器； 所述阻尼网(4)采用金属丝网，层数为三层。 3 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述直 流推杆电机(12)可由遥控器控制推杆的伸缩。 4 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述泄 水挡板(11)为有机塑料加工而成。
权利要求书4页 说明书10页 附图4页
CN 109799396 A
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权 利 要 求 书
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1 .水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：包括实验平台和实验所用的 压电 俘能装置 ；所述实验平台包括水槽支架(1) ，水槽支架(1)上固定放置水槽 (2) ，水槽(2) 包括三段区域 ，从 左往右依次为分 别进水区域 ，实验区域 和泄水区域 ；水槽 (2) 的 进水区域 放置蜂窝器(3)和阻尼网(4) ；水槽(2)的实验区域放置实验所用的压电俘能装置(8) ，实验 区域后段放置水流测速计(10) ，水流测速计(10)通过夹持梁(9)悬挂在水槽内；水槽(2)的 泄水区域放置泄水挡板(11) ，直流推杆电机(12)垂直放置在水槽的泄水区域上方，并且直 流推杆电机(12)的推杆末端与泄水挡板(11)连接；水槽(2)的泄水区域正下方放置储水箱 (16) ，储水箱(16)内分别放置抽水管(13)和回水管(14) ，抽水管(13)通过水泵(15)将储水 箱 (16) 内的水抽到进水管 (6) 内 ，进水管 (6)的出水端放置在水槽 (2)的进水区域内 ；进水管 (6) 和回水管 (14)上分别安装进水阀门 (5) 和回水阀门 (7) ；
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
Hale Waihona Puke (21)申请号 201910055068 .2
(22)申请日 2019 .01 .21
(71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园100号
(72)发明人 曹东兴 丁相栋
(74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203
本发明公开了水流中 涡激振 动压电 俘能 器 的实验装置及其使用方法，实验装置包括实验平 台和实验所用的压电俘能装置。实验平台包括水 槽支架、水槽、蜂窝器、阻尼网、泄水挡板、进水管 和回水管等结构。水流从左往右依次流过进水区 域，实验区域和泄水区域，可以通过进水阀门、回 水阀门和泄水挡板调节水槽中水流流速，获得稳 定的层流流场环境。压电俘能装置通过圆柱绕流 体内嵌受激永磁铁引入非线性磁力，可以有效增 大共振带宽即共振流速范围 ，能够在不同的流速 范围内发生共振 ，满足实验的 探究需 要。本发明 够有效模拟低流速稳定层流流场 ，准确调节流 速 ，同时结合多种结构压电 俘能 装置 ，在不同 流 速下测得多种实验数据。
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5 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述抽 水管 (13) 、进水管 (6) 和回水管 (14) 均为有机塑料 加工而成 ，各管道之间通过电 熔胶相连 接。
6 .根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述压 电俘能装置各结构的的螺杆、螺丝和螺钉由304不锈钢加工而成。