文摘
自激振动的一个正方形缸已被视为收获压电风能的有效途径。在当前的工作,这两个涡激振动和不稳定的飞驰的现象在减少过程调查速度()的范围与负载电阻等MΩ。涡激振动覆盖presynchronization、同步和后期录音合成分支。aeroelectromechanical模型给出描述的动态方程的耦合固耦合和高斯方程法。负载电阻的影响,研究了在开路和闭路系统通过一个线性分析,涵盖的参数横向位移,气动力,输出电压,收获权力利用测量系统的效率。最高水平的横向位移的最大值收获期间同步分支的涡激振动和飞奔。结果表明,大幅度飞奔在高风速可以产生能量。此外,能源利用率可以收获的锁定现象的涡激振动在低风速。
1。介绍
无线传感器网络(WSN)已广泛应用于各个领域,如环境监测、医学和军事。瓶颈的基础在于有限的电池寿命。频繁的更换电池和充电是耗时的,昂贵的,环境不友好。自给自足的方式驱动传感器感兴趣了。在文献中,各种微功率的详细信息从风力发电机收集能量,人类的运动,光,和温差或其他方式可以找到(1- - - - - -6]。
自激振动(股票)是一种常见的现象在自然界和工程。布莱文斯(7)研究了自激振动的机理,如图1。
在塞,当旋涡脱落频率接近钝头体的固有频率,这一现象称为“同步”或“锁定”发生和振荡幅度可以达到一个高水平。与此同时,对钝头体方截面高雷诺数下,当风速超过一个临界值时,系统开始进行空气动力不稳定,这种现象称为飞驰的发生。利用这两种现象获取能量流动,一些设备已经开发生产能量从结构振动引起的风或水流动。
泰勒et al。8)和艾伦和史密特(9)描述一个“鳗鱼”设备和研究利用灵活和flag-like PVDF(聚偏二氟乙烯)表收获在水通道。罗宾斯et al。10]调查类似的方法,利用PVDF表在风洞发电。
海洋可再生能源实验室(MRELab)的密歇根大学Raghavan和Bernitsas11和李和Bernitsas12)已经开发出一种海洋能量收集系统称为活泼的水生清洁能源(涡激振动)。设备收成能源从圆柱的涡脱落引起的振荡。的因素,如质量比、机械阻尼,雷诺兹数,和纵横比(长度,直径)的圆柱,。吴et al。13)提供了CFD代码解决韦夫问题的单缸PTC(被动湍流控制)。此外,CFD代码开发了丁et al。14在OpenFOAM解决韦夫多个圆柱。
在弗吉尼亚大学,Mehmood et al。15)和Abdelkefi et al。16)开发了一种提取能量流的方法通过使用后振子模型和直接数值模拟方法。据报道,硬化行为的出现是由于空气动力非线性。他们也解释了决定性影响同步负载电阻的地区和级别的收获。最大的收获将会同时出现最小值的横向位移由于并联减振效果。此外,Abdelkefi和他的合著者(17,18)调查的潜在效用收获能量从基地南京韦夫或飞奔。Barrero-Gil et al。19)从理论上研究能量收获从飞驰的结构的可行性。他们用三次多项式表示的表达式利用获得的空气动力特性和流的能量。调查收集能源从其他流激振动的可能性,各种研究已经执行(20.- - - - - -22]。中提取能量的颤振现象,Abdelkefi和Nuhait20.)的影响讨论弯wing-based piezoaeroelastic能量收割机。线性和非线性数学模型开发了预测设备的性能。
值得注意的是,两方截面结构的涡激振动和飞驰的可以利用相同的压电风能采集设备,因为这两种现象都可能导致大型振动振幅,可以好电源激励压电设备振动。然而,很少有文献重点考虑的两种现象在同一能量收集系统。
介绍了压电设备考虑两方截面圆柱的涡激振动和飞驰的收获风能。在当前的工作,一个二维动力系统是用来调查外流场的耦合,汽缸,压电换能器。列出了当前数值计算系统参数表1。
解决aeroelectromechanical耦合控制方程来确定从塞收获能量。收获权力在不同操作条件下研究了包括减少风速度和负载电阻。节2探讨了物理和数学模型,验证流体解算器和耦合方案与先前的实验数据。节3与无限的负载电阻开路系统进行了探讨。在本部分中,介绍了一个简化的模型来计算开路电压输出。节4闭路系统负载电阻从不同来讨论了;降低速度和负载电阻的影响振动振幅,脉动升力系数、电压输出和收获能力进行了研究。节5,并给出了结论。
2。物理和数学模型
2.1。签订物理模型
探讨了一个简化的SEV-based能量收割机配置。模型由一个弹簧减震横切面缸和一个压电传感器附加到其横向自由度。气缸振动作用下自由来流的横向方向如图所示2。系统有一个单位长度上的质量,spring-coefficient、阻尼和一个电阻。机械系统的控制方程 在哪里力的流体是单位长度来流方向正常,点符号分化对时间吗,来流的密度,事件流的速度,身体的特征尺寸正常流动,然后呢是瞬时液在横向力系数这一事件流。飞驰的,特别是三次多项式可以用来近似垂直的流体动力系数(23]: 在哪里和在静态测试经验系数来衡量。指出,如果结构的横截面是对称的流动方向的一条直线通过的中心部分,只有奇次谐波,等等系列的非零(7]。
(一)
(b)
的参数之间的关系系统可以表示为 在哪里振动的固有频率和吗阻尼比。
轴向对称的系统,一个二维模型被用来描述的能量收集系统显示在图2。图2(一个)介绍了实际振动系统。结构化网格用于计算稳定解决移动网格问题和墙附近的网格图所示3(一个)。气缸经历当收割机签订接受传入流;图3 (b)显示系统的边界条件。如果自由流速度是一个关键的价值“同步”的旋涡脱落频率可以锁定为圆柱体振荡频率;振幅会变得很高。如果流速超过第二临界值,飞驰的发生在横向方向,可以获得更高级别的振幅。
(一)
(b)
2.2。机电耦合模型
fluid-electromechanical耦合过程的系统介绍了推导系统的数学模型。连续性和n - s (n)方程和一维本构方程给出了压电换能器
方程(6)是完全导数算子,的压力,是流体密度,流体速度矢量,是应力张量,是应变率张量。一个防滑涂层表面的边界条件给出移动身体 在哪里的湿表面变形结构,移动的速度固耦合过程中,缸上下运动的流场边界条件下,当压力是作用于和强迫项在结构方程生成如下所示。
在目前的工作中,我们专注于负载电阻的影响能量收集系统。两个不同的系统,开路和闭路系统,确定了通过调查负载电阻的值。
2.2.1。开路系统的机电耦合模型
对单自由度系统(应用)与一个电阻负载(),(1)可以改写一个额外的和由机电术语 或
为开路状态,应用耦合系统的方程与一个电阻负载()可以写成 在哪里开路电压和吗是当前的。在这种情况下,如果我们设置,(10)可以提供
的参数是机械的耦合刚度。用(3)(13),引入无量纲变量和,可以作为新的方程形式
用(14)(13),并引入另一个two-dimensionless质量比并降低速度
方程(15)表达的无量纲形式机电耦合。低雷诺数的系数和可以给
在的情况下,线性和非线性系数可以由帕金森和史密斯的实验结果24,25),和。
2.2.2。数学模型的机电阻尼和飞驰的发作
负载电阻使阻尼和机电系统的固有频率是不同的,如果没有机电电路。变化的影响在两个系统上的频率和阻尼可以评估通过分析线性部分的机电耦合方程。考虑气动力的第一项方程集团只可以写成下面的一阶微分方程的形成: 在哪里,,。
方程(17)可以表示为一个向量形式: 在哪里
矩阵有三个不同的特征值,。Barrero-Gil et al。19)表示,前两个特征值类似于一个纯粹的飞驰的问题缺乏压电负载的情况下,第三个特征值是机电耦合的影响的结果。它指出,前两个特征值轭合物()。实部和虚部,分别代表的阻尼系数和全球频率耦合系统。一个属性矩阵的特征值的乘积等于行列式的值,这就可以了。前两个是互为共轭复数特征值;这样的价值总是非负;因此总是消极和稳定的简单解决方案只取决于前两个特征值。如果真实的一部分是负的,系统是稳定的;另一方面,系统是不稳定的,如果值是正的。因此,临界速度在对应的发生不稳定或飞奔。机电耦合输出功率可以得到: 在哪里是系统的输出功率,是振动角频率,相角。
2.2.3。固耦合解算器的验证
OpenFOAM固耦合解算器的比较验证了广场的振动位移缸与布莱文斯(7]。两平方气缸固定长宽比2和不同的阻尼比。减少速度设置为4.0到16.0。同步现象的计算考虑到不稳定的临界风速和飞驰的反应是重点调查。结果如图所示4。指的是无量纲的振动振幅。布莱文斯(7)表明,广场的出现同步缸时发生5.0至5.5的范围不同,飞奔的发作是介于11.0和11.5之间。预测临界速度的同步和飞驰的同意与布莱文思的工作。
分析能量收获的机电耦合系统由两部分组成,开路和闭路负载电阻的识别。和开放的,闭路系统,涡激振动(韦夫)和飞驰的现象都是考虑。减少速度的范围范围从3.0到20.0。
3所示。开路系统的结果
3.1。“锁定”现象的能量收获韦夫开路系统
在低风速平方缸的同步现象。飞驰的不可能发生当雷诺数小于15926]。然而,同步现象可以有效地用于获取能量。图5显示振动振幅的计算结果,升力系数,低雷诺数下的开路电压在一个开环回路系统()。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
同步现象可以分为三个分支:presynchronization,同步和后期录音合成。在presynchronization部分中,振幅生长在一个稳定的法律。如数据所示5(一个),5 (b),5 (c),当旋涡脱落频率接近圆柱体的固有频率,显然这种现象“拍打”可以捕获。在此期间,值得注意的是,有两个主要优势频率在这个地区。然而,改变曲线如图5 (g),5 (h),5(我),当前的主要频率presynchronization分支是涡旋脱落频率如图5 (d),5 (e),5 (f);自激振动进入锁定的分支。在这个阶段,预测的稳定峰值振幅迅速起床和涡脱落频率锁定固有频率的平方缸。
值得注意的是,相当大的振动能量在这个分支可用能量收获过程,和输出开路电压可达5.8 V。当等于5.8,同步分叉现象,并观察到高水平的调节时间历史的横向位移和开路输出电压输出,如图5 (g),5 (h),5(我)。“拍打”现象再次发生在后期录音合成的分支。定期振幅减少,占主导地位的频率切换到固有频率。调节也发生在时间的历史升力系数,如图5 (h)。从所有的预测结果,横向位移和输出开路电压输出的历史有相同的趋势。这是预期;根据高斯定律,电压与横向位移直接相关。数据6(一)- - - - - -6 (d)这个实例表明,涡度轮廓和气缸的两个不同的位置确定的偏移量到其原始位置。“2 s”模式涡街显然是广场缸后面的区域所示。
(一)
(b)
(c)
(d)
变化的横向位移和电压输出如图7。可以看出,在开路系统,横向位移的曲线和电压输出有三个分支:presynchronization,同步和后期录音合成。的最佳操作条件在当前的配置,这意味着相对风速等于0.39 m / s参数下工作。因此,能量收获可以实现同步的现象,甚至在开路系统在低降低速度。
如图7再次,系统会变得不稳定的流速较高的涡激振动分支,和飞驰的流速上升到临界值时发生的不稳定。振幅达到一个更高的水平在振荡频率较低的水平。从图结果表明,涡激振动结束。
与此同时,振动变得密集。图8反映了历史的横向位移曲线,似乎不像同步,光滑和振动幅度要大得多。它可以得出结论,飞奔的发病速度是系统的阻力。
3.2。影响电力负荷的阻力在飞奔的发病
图9(一个)显示了不同特征值的实部和虚部的线性系统。可以看出机电阻尼系数仍然很低的低负载电阻的值。特别是,电阻并联阻尼效应现象使机电耦合阻尼接近最大值为0.33。然而,固有频率保持稳定在42.3之前rad / s全球频率,这被称为短。以更高的固有频率上升,至45.2 rad / s。这个值的固有频率是指开放的全球频率。曲线表明,负载电阻可以影响一个机电系统的固有频率和阻尼比。图9 (b)显示电气负载电阻的影响发病的飞奔。可以看出,飞驰的最初的爆发保持不变当是和负载电阻的增加而增强。到达峰值的值如果负载电阻不断增加和减少。
(一)
(b)
4所示。闭路系统的结果
4.1。能源是从韦夫闭路系统
数值模拟是利用提出了阻尼系数和全球的频率。横向位移和输出电压的计算结果如图10 ()- - - - - -10 (d)。很明显,当分为5.345至6.359的范围,广场的自激振动圆柱跨越presynchronization,同步和后期录音合成。图10 ()代表了能量收集系统的负载电阻提到的速度范围。同步现象开始大约在同一速度()所有负载电阻由于全球固有频率与负载电阻大致保持不变(在图9(一个))。值得注意的是,横向位移显著的振幅随负载电阻。振荡幅度的最大值当并减少到0.348时0.335当。为,振幅的最小值由于机电耦合阻尼时达到最大如图9(一个)。
(一)
(b)
(c)
(d)
另一方面,数字10 ()表明,同步区域的宽度大约是不变和机电耦合阻尼负载电阻引起的。变化趋势的均方根闭路电压输出数据10 (b)和10 (c)所示两种不同的形式。图10 (b)显示电压的变化趋势输出的减少速度在不同负载电阻。输出电压与负载电阻的增加会更高;时达到最大和。当和,最大输出电压0.288 V,当和,最大的减少到0.023 V。当,电压输出,最大价值低V。可以得出结论,闭路系统的输出电压随负载电阻的增加。这一结论也可以从图中获得10 (c),这显示了输出电压与负载电阻的变化在不同的流动速度。随着负载电阻的增加,电压增加一个稳定的法律。图10 (d)显示变化的收获与流速在不同负载电阻。收获功率与电压计算根据以下方程: 在哪里表明均方根值或输出电压的有效值代表了整个压电换能器负载电阻。图10 (d)表明,可获得最大收获功率下考虑在同步系统。收获力量达到最大值,W。一个值得注意的现象是,为所有人考虑,收获力量也可以增强的增加。
4.2。从飞奔的闭路系统能量收获了
分析了机电耦合系统的非线性问题,OpenFOAM主导方程直接计算。同步分支后,飞驰的现象发生在更高的流动速度。横向位移更能达到一个高水平的同步分支;因此可以收获更多的能量。然而,飞奔的振荡频率远远低于同步。
图11显示了横向位移、电压输出和在不同收获能量造成不同的广场缸飞驰的速度降低。负载电阻随发病的速度飞驰。在图(11日)横向位移增加,增加的自由流速度。发病速度达到最大值时;结果还表明,负载电阻对横向位移振幅的变化。横向位移时的最小值,机电阻尼在最高水平。然而,电压输出不可能伴随着收获的增加力量,如图11 (b)。值得注意的是,有一个最佳的负载电阻值最大化收获力量。当获得的最高水平。在这个选择的负载电阻,收获力量几乎是1.4瓦的减少速度20.0左右。
(一)
(b)
(c)
5。结论
在目前的工作中,能量收获涡激振动和飞驰的现象从签订广场缸已经调查了不同风速下OpenFOAM的平台。机电耦合系统的分析下进行开放,和闭路部分。在开路系统,三个分支机构取得了涡激振动和振动位移薇芙和飞奔的调查。它可以得出结论,在韦夫振动位移曲线是不同的正弦定律不同于飞驰的政权。涡的涡脱落模式已被证明轮廓。开路电压输出的最大价值在韦夫政权获得了5.8 V在同步机制。对于闭路系统,负载电阻的影响,分析了系统固有频率和阻尼;广场的收获权力和横向位移缸。薇芙,最大收获功率达到最大值W当。飞奔,收获时功率为1.4 W。它可以得出的结论是,同步现象可以利用收获力量当风的速度很低。当风速高飞奔,开路电压输出增加随着风速的增加。在闭路系统,收获力量可以增强通过增加在低风速地区负载电阻。高风速应用,收获力量可以优化获得最低的振动位移通过选择自适应负载电阻。
命名法
| : | 流速度(米/秒) |
| : | 特征长度(米) |
| : | 横向位移(m) |
| : | 质量(千克) |
| : | 刚度(N / m) |
| : | 阻尼(Nm / s) |
| : | 频率(赫兹) |
| : | 负载电阻(欧姆) |
| : | 力(N) |
| : | 雷诺数 |
| : | 压力(Pa) |
| : | 圆频率(赫兹) |
| : | 阻尼系数 |
| : | 机电耦合(N / V) |
| : | 压力(N) |
| : | 湿表面变形 |
| : | 特征值 |
| : | 降低了速度 |
| : | 固有频率 |
| : | 利用权力 |
| : | 均方根电压。 |
相互竞争的利益
所有的基金不导致任何利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由专门的研究基金,广东省自然科学基金(批准号2015 a030310182),重庆大学的开放基金的低品位能源利用技术及系统重点实验室(批准号lleuts - 201610),江苏和开放基金工程气象研究中心能源使用和控制/ C-MEIC,南京大学信息科学与技术(批准号KCMEIC02)。