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風力場中基于鈍體繞流的壓電俘能研究

來源:核心期刊咨詢網位置:電子信息論文時間:2019-11-14 10:1712

  摘要: 為研究風力場中基于鈍體繞流的壓電俘能器的性能,本文基于ANSYS Workbench仿真平臺,建立流固壓電三場耦合模型,對置于圓柱鈍體的柔性壓電片在風力場中的發電情況進行仿真分析。分析結果表明,在卡門渦街的作用下,柔性壓電片因兩側壓力不同而產生振動,電壓的輸出隨時間的變化按照正弦曲線變化,最大電壓和最小電壓隨時間變化的曲線對稱,柔性壓電片等效應力的幅值和輸出電壓峰值隨流體流速和阻流鈍體直徑的變化而變化。該研究探究了壓電浮能器的性能,對壓電俘能器給無線傳感器供能具有實際意義。

  關鍵詞: 壓電俘能; 流固耦合; 柔性壓電振子; 升力與阻力系數

青海電力

  近年來,無線傳感器廣泛應用于環境監測、交通管控及軍事偵察等遠程控制領域[13]。將機械能轉換為電能的方式包括電磁轉換[4]、靜電轉換[5]及壓電轉換[6]3種,壓電能量收集裝置因結構簡單,無電磁干擾,易加工制作,成為代替傳統電池為無線傳感器供電的最佳選擇。空氣流場包含顫振、抖振、馳振、渦激(卡門渦街)振動等[7]4種不同的振動方式,其中渦激振動[8]作為一種常見的風致振動現象,因其引發的振動極具穩定性與周期性,與另外3種振動方式相比,更具研究價值。

  G.W.Taylor[9]將柔性壓電薄膜(poly(vinylidene fluoride),PVDF)固定在圓柱后方,首次將鰻魚式壓電浮能器用于海洋能收集;美國科學家采用了ABS塑料(丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體的三元共聚物)作為俘能器的彈性梁[10],實現了在低頻環境中的能量回收;文晟等人[11]利用亥姆赫茲諧振腔和壓電復合薄圓板設計了諧振型風力壓電俘能器;單小彪等人[12]根據壓電方程和熱平衡原理分別建立了截面形狀為矩形、梯形和三角形懸臂梁雙晶壓電振子壓電發電數學模型,得到三角形壓電振子具有更大的發電能力;Li S等人[13]設計了一種用于收集風能的壓電發電裝置,在風速8 m/s且葉片與壓電片分布合理時,每個發電葉的發電量最高可以達到296 μW。因此,本文基于ANSYS Workbench仿真平臺,建立流固壓電三場耦合模型,對柔性壓電片在卡門渦街作用下的特性進行了研究。本研究對壓電俘能器供電具有參考價值。

  1 基本理論

  1.1 升力和阻力系數

  由于圓柱鈍體后柔性壓電片的兩側存在壓力差Δp,柔性壓電振子出現擺動現象。升力系數CL和阻力系數Cd相對于FL和FD是無量綱常數[14],分別與鈍體繞流的升力(阻力)、流體速度、鈍體表面積和流體密度有關。升力系數和阻力系數[15]分別為

  CL=∫l0Δpx·h·dx·nx12ρv2A=FL12ρv2A ,Cd=∫l0Δpx·h·dx·ny12ρv2A=FD12ρv2A

  (1)

  式中,Δpx為距離壓電振子固定端的距離x處受到的壓力差;nx為該處單位法向向量x方向的分向量;ny為該處單位法向向量y方向的分向量;ρ為流體密度;v為流體速度;A為柔性壓電振子壓力一側的表面積;FL為升力;FD為阻力;l為壓電振子固定端到自由端的距離;h為距離壓電振子固定端的距離x處的形變高度。

  1.2 斯特勞哈爾數

  2 網格劃分

  在風力場中,基于鈍體繞流的壓電俘能器模型是一個三維物理模型[18],采用Mesh進行流體域和結構場的網格劃分[19],流體域的網格劃分如圖1所示,結構場的網格劃分如圖2所示。由圖1和圖2可以看出,柔性壓電片比圓柱鈍體的網格分布更密集;結構化網格和非結構化網格共同構成結構場的網格,相比于流體域的網格,網格質量更高。

  3 仿真分析

  3.1 升阻力系數研究

  渦旋脫落的頻率近似等于升力系數曲線的頻率[20],因此渦旋脫落的頻率可通過研究升力曲線解決。選擇流體流速為10 m/s,鈍體直徑尺寸為12 mm,壓電振子的尺寸為72 mm×16 mm×0.02 mm,升力系數和阻力系數隨時間變化曲線如圖3和圖4所示。

  由圖3和圖4可以看出,當流體的運動狀態穩定時,在壓電俘能裝置中,升力系數隨著時間變化逐漸趨近于正弦曲線的變化;隨著時間變化,阻力系數迅速波動升至2.01×10-5,然后變化趨勢趨于穩定。

  3.2 壓力分布和電壓輸出

  壓電俘能裝置在流場中的壓力分布云圖如圖5所示,壓電俘能器的電壓隨時間變化曲線如圖6所示。由圖5和圖6可以看出,在鈍體繞流現象中,圓柱鈍體在流體入口處的一側受到的壓力最大值為1.56×102 Pa;而在圓柱鈍體的渦旋脫落處受到的壓力最小值為-147×102 Pa;由于鈍體后面渦旋的自由脫落,柔性壓電片在流場中左右兩個側面形成壓力差,壓電俘能器可以從卡門渦街的現象中獲取流動能量。壓電俘能器的電壓輸出按照正弦曲線的形式隨時間變化,在柔性壓電片的兩側最大位移處,分別獲得最大和最小電壓,且最大電壓和最小電壓隨時間變化的曲線對稱。

  3.3 柔性壓電振子的仿真與分析

  以兩種不同尺寸的柔性壓電片為研究對象,分別改變阻流鈍體的直徑、流體的速度和柔性壓電片的尺寸,在不同情況下,進行流固耦合計算,并對柔性壓電振子受到的等效應力和電壓輸出進行仿真分析。

  1) 等效應力的幅值影響因素。在柔性壓電片尺寸不同的情況下,等效壓力的幅值隨流速和阻流鈍體直徑的變化曲線如圖7所示。

  由圖7可以看出,隨著流速的增加,柔性壓電片上受到的最大等效壓力隨之增大,阻流鈍體直徑的增大,使柔性壓電片受到的最大等效壓力增大,兩者對等效壓力的影響不存在線性關系。由圖7a可以看出,隨著流速的增加,流速對尺寸為40 mm×16 mm×002 mm的柔性壓電振子的影響越來越大;由圖7b可以看出,隨著流速的不斷增加,流速對尺寸為72 mm×16 mm×002 mm的壓電振子的影響較平緩。

  推薦閱讀:《青海電力》(季刊)創刊于1982年,由青海電力科學試驗研究院、青海省電機工程學會主辦。本刊以高新技術為主導,緊密結合青海電力生產、建設和科研的實際,重點刊登具有青藏高原特點的電力科技成果、學術論文等,為促進青海電力事業的發展做出貢獻。

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