渦激振動(dòng)能量收集的理論建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

楊敬東，劉永臻，張 敏，張鴻鑫

(重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

渦激振動(dòng)能量收集的理論建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

楊敬東，劉永臻，張 敏，張鴻鑫

(重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

為了研究渦激振動(dòng)壓電能量收集特性，根據(jù)壓電理論和尾流振子模型建立二維渦激振動(dòng)的壓電能量收集數(shù)學(xué)模型，對(duì)一個(gè)圓柱加雙壓電臂的能量收集裝置進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：輸出電壓隨著負(fù)載電阻的增大而增大，最大輸出功率存在一個(gè)最佳匹配電阻。之后開(kāi)展壓電能量收集風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了理論模型的正確性。該模型對(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦激振動(dòng)能量收集裝置有參考價(jià)值。

機(jī)電工程；能量收集；尾流振子模型；VIV；圓柱

0 引 言

壓電能量收集在近幾十年中一直是能量收集研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，其原理是將周?chē)Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能[1]。從近幾年學(xué)者們有關(guān)壓電收集的綜述來(lái)看，基于振動(dòng)能量的壓電發(fā)電的裝置[2]的研究較多，因此出現(xiàn)了各種各樣的壓電發(fā)電裝置。壓電裝置應(yīng)用廣泛，不僅用于傳感器[3]，也應(yīng)用于能量收集。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)渦激振動(dòng)(VIV)發(fā)電的應(yīng)用尚處于理論和實(shí)驗(yàn)室階段，其結(jié)構(gòu)形式、性能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等都亟待進(jìn)一步深入研究，因此該方面的研究相對(duì)較少。

渦激振動(dòng)是在一定速度的流體流經(jīng)鈍體時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)的尾跡中旋渦以一定頻率交替脫落，產(chǎn)生周期振蕩的升力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)以一定的頻率和振幅振動(dòng)[4]。在一定流速下，旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振，渦激振動(dòng)的基本特點(diǎn)有鎖定現(xiàn)象和滯回現(xiàn)象[5]。渦激振動(dòng)具有非線(xiàn)性，因此可以采用尾流振子模型把結(jié)構(gòu)近壁的尾渦動(dòng)力特性通過(guò)非線(xiàn)性振子來(lái)模擬，例如采用Van der Pol方程或者Rayleigh方程來(lái)描述其自激自限的諧振動(dòng)過(guò)程，并與結(jié)構(gòu)振子聯(lián)立構(gòu)成方程組，共同預(yù)測(cè)流固耦合系統(tǒng)的響應(yīng)[6]。

渦激振動(dòng)能量收集應(yīng)用潛力巨大，但是其中關(guān)鍵技術(shù)并不成熟。對(duì)于該問(wèn)題，近年來(lái)學(xué)者們做了有意義的研究。如M．M．BERNITSAS等[7]提出了一種基于渦激振動(dòng)的清潔水能源收集系統(tǒng)；WU Nan等[8]研究仿真了壓電片的長(zhǎng)度以及安裝位置在渦激振動(dòng)中的壓電能量收集的影響；A．PERELLI等[9]利用壓電技術(shù)以及渦激振動(dòng)理論提出了用于水下能量收集的壓電發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析；張敏[10]等人對(duì)渦激振動(dòng)壓電能量收集進(jìn)行了數(shù)值分析。

基于渦激振動(dòng)能量收集的相關(guān)研究結(jié)果，筆者建立了雙壓電懸臂梁連接圓柱的渦激振動(dòng)能量收集模型，進(jìn)行流體激勵(lì)振動(dòng)的能量收集理論分析，研究不同負(fù)載電阻的輸出電壓以及功率特性。之后進(jìn)行了能量收集實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚醒了對(duì)比，驗(yàn)證理論模型的正確性。

1 壓電能量收集模型

圖1為壓電能量收集裝置，兩個(gè)雙晶壓電臂安裝在圓柱的橫向振動(dòng)方向用以收集能量。圖1中：U為風(fēng)速、Rl為電阻、C為阻尼、K為彈簧剛度、Y(t)為圓柱橫向位移。

圖1 壓電能量收集裝置示意Fig.1 Schematic of a piezoelectric energy harvester

為便于研究，將壓電能量收集系統(tǒng)等效為單自由度的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)[11]，則系統(tǒng)控制方程為彈性支撐的剛性圓柱振動(dòng)與高斯公式的耦合方程[12]，如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：M為振動(dòng)質(zhì)量；ξ為阻尼比；ωn為結(jié)構(gòu)固有頻率；F(t)為流體力；θ為機(jī)電耦合系數(shù)；V為負(fù)載上的電壓；R為負(fù)載電阻；Ce為壓電等效電容。

M．L．FACCHINETTI等[13]所建立的尾流振子模型如式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中：mf=1/4πCmρD2為附加質(zhì)量；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)鈍體為圓柱時(shí)，Cm=1；cf=ΩfγρD2為附加阻尼，γ=CD/4πSt=0.8；q(t)=2CL(t)/CL0，CL0=0.3；Ωf=2πUSt/D為渦脫頻率，St=0.21，CD=2；ε和A為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，ε=0.3，A=12。

應(yīng)用尾流振子模型將式(1)可改寫(xiě)為式(5)：

(5)

式(2)、(3)、(5)即為基于尾流振子模型的渦激振動(dòng)壓電能量收集裝置的數(shù)學(xué)模型。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、電路連接與等效電路如圖2。雙晶壓電臂采用串聯(lián)方式，兩個(gè)壓電臂使用導(dǎo)線(xiàn)采用并聯(lián)方式連接至負(fù)載電阻R。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路示意Fig.2 Schematic of system structure and circuit

壓電等效電容Ce及機(jī)電耦合系數(shù)θ可用式(6)和(7)表示[14]：

(6)

θ=e31(hp+hs)b

(7)

式中：Cp為單壓電層的電容；e31為壓電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)(相對(duì)介電常數(shù))；L、b、hp分別為壓電層的長(zhǎng)、寬、高；hs為基層高度。

2 理論計(jì)算

裝置具體參數(shù)見(jiàn)表1和表2。壓電材料選用PZT-5H，基層材料為銅。通過(guò)改變風(fēng)速和電阻值獲得不同情況下負(fù)載上輸出電壓的值，從而得到不同負(fù)載電阻輸出電壓隨風(fēng)速的變化曲線(xiàn)，如圖3。

表1 壓電裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 壓電振子材料屬性

圖3 不同電阻時(shí)輸出電壓VIV響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.3 VIV response curves of output voltage with different resistances

由圖3可知，當(dāng)在共振頻率值附近時(shí)，振動(dòng)達(dá)到最大值，且隨著電阻的增大，電壓隨之增大。當(dāng)電阻值介于104～105Ω時(shí)，電壓的絕對(duì)值較低，增大的幅度較小；當(dāng)電阻值達(dá)到106Ω時(shí)，電壓有一個(gè)明顯的升高，當(dāng)電阻值介于106～107Ω時(shí)，電壓仍然增大，但增大的幅度也變小。其最大電壓隨電阻變化的趨勢(shì)如圖4。

圖4 最大電壓隨電阻變化的趨勢(shì)Fig.4 The trend of the maximum voltage changing with resistance

由圖3中來(lái)流速度與輸出電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)可知，各電阻的最大電壓出現(xiàn)在U*=4.81時(shí)。其中風(fēng)速可調(diào)范圍為0.82≤U*≤7.03，U*為折合速度，其表達(dá)式為：U*=2πU/ωnd。

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)選用一個(gè)直徑d=10 mm的圓柱，壓電材料選用PZT-5H，壓電基層為銅，壓電裝置各參數(shù)與表1一致。實(shí)驗(yàn)在亞音速開(kāi)路風(fēng)洞中進(jìn)行，空氣由一組1.5 kW的電機(jī)帶動(dòng)離心風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)試段剖面為300 mm2×300 mm2，長(zhǎng)度為2 000 mm；壓電裝置的兩個(gè)壓電臂垂直夾持在測(cè)試段的中部，用以進(jìn)行VIV實(shí)驗(yàn)；負(fù)載電阻的輸出電壓使用TEK2002B示波器進(jìn)行記錄，主要實(shí)驗(yàn)裝置及安裝情況如圖5。

圖5 壓電能量收集實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 5 Experiment device of piezoelectric energy harvesting

VIV實(shí)驗(yàn)選用4個(gè)電阻值作為負(fù)載，分別為104、105、106、107Ω，在同一風(fēng)速下更換不同阻值的負(fù)載，示波器并聯(lián)在負(fù)載上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)逐步增大風(fēng)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄電壓的輸出情況。實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速可調(diào)范圍控制在0.82≤U*≤7.03。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，繪制其不同電阻時(shí)輸出電壓及輸出功率VIV響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6。

由圖6(a)可知，實(shí)驗(yàn)中各電阻出現(xiàn)最大輸出電壓的位置大部分都在U*=4.91附近，表明此時(shí)系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)，振動(dòng)達(dá)到最大值。隨著電阻的增大，電壓隨之增大。當(dāng)電阻值介于104～105Ω時(shí)，電壓的絕對(duì)值較低，增大的幅度較??；當(dāng)電阻值達(dá)到106Ω時(shí)，電壓有一個(gè)明顯的升高，當(dāng)電阻值介于106～107Ω時(shí)，電壓仍然增大，但增大幅度也變小。

由圖6(b)可知，各電阻的最大功率也出現(xiàn)在U*=4.91處，系統(tǒng)的最大功率出現(xiàn)在電阻值為106Ω時(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，能量收集系統(tǒng)存在一個(gè)最佳的電阻值使得系統(tǒng)的輸出功率最優(yōu)。

將實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較，如圖7。由圖7可看出：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的量級(jí)以及總體變化趨勢(shì)一致。

圖7 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)輸出電壓對(duì)比Fig.7 Comparison of theoretic calculation and experimental output voltage

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者建立了基于渦激振動(dòng)的能量收集模型并進(jìn)行了理論計(jì)算分析，得到不同阻值時(shí)最大值出現(xiàn)在U*=4.81位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果U*=4.91非常接近，證明理論模型是正確的。

理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：輸出電壓隨著負(fù)載電阻的增大而增大，輸出功率存在一個(gè)最佳電阻值，當(dāng)阻值超過(guò)這個(gè)最佳值后電壓會(huì)相應(yīng)的增大，而功率會(huì)隨著降低。下一步，將該模型用于能量收集裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中，進(jìn)一步提高該裝置的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。

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(責(zé)任編輯：劉韜)

ModelingofVortex-InducedVibrations(VIV)EnergyHarvestingandExperimentalValidation

YANG Jingdong, LIU Yongzhen, ZHANG Min, ZHANG Hongxin

(School of Shipping & Marine Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

In order to study vortex-induced vibration of piezoelectric energy harvesting characteristics, a two-dimensional mathematical model about piezoelectric energy harvesting was established based on the theory of piezoelectric and wake oscillator model. An energy harvesting device of a cylinder with double piezoelectric cantilever beam was calculated and analyzed. The results show that the output voltage increases with the increase of load resistance. The maximum output power has an optimum matching resistance. Then the wind tunnel experiment of piezoelectric energy harvesting was conducted. It is demonstrated that the experimental results are consistent with the calculation results and the correctness of the proposed theoretical model is verified. The proposed model provides reference to further design and optimization of vortex-induced vibration energy harvesting system.

electromechanical engineering; energy harvesting; wake oscillator model; vortex-induced vibration; cylinder

U664.1；TN384

：A

：1674-0696(2017)09-104-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.19

2016-07-15；

：2016-11-08

福建省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014H0010)

楊敬東(1970—)，男，重慶人，高級(jí)工程師，主要從事現(xiàn)代造船技術(shù)與新能源開(kāi)發(fā)方面的研究。E-mail：274245970@qq.com。