曲面馳振風(fēng)能采集器動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能研究

王 瓊，黃良沛，周程峰，唐 謙，魏克湘

（1.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411201；2.湖南工程學(xué)院湖南省風(fēng)電運(yùn)維與測(cè)試技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411104；3.三一機(jī)器人科技有限公司，北京 102200）

引言

風(fēng)致振動(dòng)能量采集器主要采用方形、三角形、D形等截面的阻流體。Alhadidi 等［7］在馳振能量收集中使用四棱柱形狀的阻流體，其后表面用不同長(zhǎng)度和叉角的Y 形翅片進(jìn)行了加固，翅片的添加可以顯著提高法向力系數(shù)隨迎角增長(zhǎng)的速度。Liu 等［8-9］提出了Y 形和叉形阻流體用于提高風(fēng)能采集的輸出功率，通過(guò)流體仿真與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了Y 形和叉形風(fēng)能采集器的輸出功率明顯高于傳統(tǒng)阻流體風(fēng)能采集器的輸出功率。王淑云等［10］提出一種由壓電梁與其端部柔性梁構(gòu)成的剛?cè)釓?fù)合梁風(fēng)能采集器，可滿(mǎn)足弱風(fēng)時(shí)微功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求。

對(duì)于利用風(fēng)致振動(dòng)獲取風(fēng)能的采集器，為了提高風(fēng)能采集器的效率，對(duì)阻流體進(jìn)行氣動(dòng)性能改造是有效的方法之一。在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部開(kāi)槽可以減少順風(fēng)和橫風(fēng)方向的風(fēng)振，在結(jié)構(gòu)的邊緣安裝附加翼會(huì)加劇風(fēng)振。Ding 等［11］采用被動(dòng)湍流控制的方法，在圓柱阻流體前緣兩側(cè)安裝增加粗糙度的附翼從而提高阻流體吸收流能的性能，相比于實(shí)驗(yàn)研究的方形和正三角形截面阻流體，被動(dòng)湍流控制的圓柱振動(dòng)響應(yīng)更優(yōu)。Hu 等［12］和Wang 等［13］在圓柱阻流體側(cè)面安裝小圓棒和Y 形附加翼，并發(fā)現(xiàn)附件安裝夾角為60°時(shí)可以顯著擴(kuò)展氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定范圍，采集器的輸出功率因此顯著提高。曲面阻流體氣動(dòng)性能調(diào)節(jié)能有效地提高風(fēng)能采集器性能，但相關(guān)研究還比較少。

為了提高馳振壓電風(fēng)能采集器的性能，提出曲面馳振風(fēng)能采集器，并進(jìn)一步通過(guò)添加翼翅和端蓋來(lái)改進(jìn)曲面阻流體的氣動(dòng)性能。通過(guò)FLUENT 仿真和實(shí)驗(yàn)研究，揭示翼翅和端蓋對(duì)曲面阻流體氣動(dòng)性能的影響規(guī)律［14］。

1 曲面風(fēng)能采集結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案

曲面阻流體相對(duì)于傳統(tǒng)阻流體而言具有更靈活的設(shè)計(jì)性和改善空氣動(dòng)力學(xué)性能的可能性［15-16］。為提高風(fēng)能采集器的性能，對(duì)曲面阻流體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并將其安裝在馳振風(fēng)能采集器懸臂梁的自由端。

1.1 翼翅曲面風(fēng)能采集結(jié)構(gòu)

為了提高阻流體在流場(chǎng)中的橫向氣動(dòng)力，考慮在曲面阻流體上添加翼翅，研究翼翅對(duì)曲面阻流體氣動(dòng)性能的影響。翼翅曲面馳振風(fēng)能采集器的設(shè)計(jì)如圖1所示，曲面阻流體結(jié)構(gòu)圓弧弦長(zhǎng)為D，阻流體高為H。翼翅安裝在曲面阻流體的前緣兩側(cè)，其長(zhǎng)度為l。

圖1 翼翅曲面馳振風(fēng)能采集器的設(shè)計(jì)Fig.1 Design of wind energy harvester for wing curved galloping vibration

1.2 附加端蓋曲面風(fēng)能采集結(jié)構(gòu)

當(dāng)曲面阻流體沒(méi)有附加端蓋時(shí)，來(lái)流風(fēng)以橫向氣流和垂直氣流經(jīng)過(guò)鈍體，如圖2（a）所示，垂直氣流會(huì)削弱曲面阻流體的橫向氣動(dòng)力，使曲面風(fēng)能采集器的振幅減小，從而降低功率輸出。因此，提出在曲面阻流體兩端添加端蓋，研究端蓋對(duì)曲面風(fēng)能采集器氣動(dòng)性能的影響。曲面風(fēng)能采集器原理圖如圖2（b）所示。

圖2 附加端蓋曲面風(fēng)能采集器設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design of additional end cap curved surface wind energy harvester

2 仿真分析

2.1 翼翅曲面阻流體的氣動(dòng)性能分析

在相同迎風(fēng)面的情況下，為了讓阻流體內(nèi)外產(chǎn)生足夠的壓力差，阻流體需要一定的弧面長(zhǎng)度。當(dāng)L＜40 mm 時(shí)，阻流體的截面近似于平板，而當(dāng)L＞70 mm 時(shí)，截面近似于圓柱，故本文研究選取的曲面阻流體弧長(zhǎng)在40～70 mm 之間。其截面形狀如圖3所示。

圖3 不同弧長(zhǎng)曲面阻流體的截面形狀Fig.3 The cross-sectional shape of different arc-length curved bluff bodies

選取具有代表性的四種弧長(zhǎng)（L=40，50，60，70 mm）的阻流體，圓弧弦長(zhǎng)D=3.5 cm，阻流體高H=10 cm?？紤]到翼翅會(huì)增加迎風(fēng)面的大小，為弱化迎風(fēng)面的大小對(duì)曲面阻流體的影響，只考慮l=1，2，3 mm 的情況。仿真對(duì)比分析有無(wú)翼翅的曲面阻流體的氣動(dòng)性能，仿真云圖如圖4所示，仿真云圖均為向上的橫向氣動(dòng)力最大時(shí)的情況。圖4（a1）～（a4），（b1）～（b4）為無(wú)翼翅的曲面阻流體的壓強(qiáng)云圖和渦量云圖，可以看到隨著阻流體弧長(zhǎng)增加，負(fù)壓區(qū)和渦量均減小，其原因是隨著弧長(zhǎng)的增加，分離的剪切層逐漸附著在阻流體的上側(cè)面，內(nèi)循環(huán)渦逐漸消失，其形成的負(fù)壓區(qū)逐漸減小，故負(fù)壓區(qū)對(duì)阻流體的吸引力也逐漸減小。由圖5（a）和（b）的黑色曲線(xiàn)可知，弧長(zhǎng)L=40 mm 的阻流體過(guò)于扁平，雖然其渦量是其中最大的，但是其受到的橫向氣動(dòng)力要低于弧長(zhǎng)L= 50 mm 的阻流體。而弧長(zhǎng)L=70 mm 的阻流體的內(nèi)循環(huán)渦流消失，因?yàn)閺澢邂g體的上下側(cè)沿上風(fēng)方向不呈流線(xiàn)型，當(dāng)風(fēng)通過(guò)彎曲板鈍體時(shí)，剪切層與鈍體的上下側(cè)分離，并且在剪切層下方形成內(nèi)部循環(huán)，故不滿(mǎn)足馳振發(fā)生的條件。

1.2.2 調(diào)查方法 調(diào)查人員向參加者說(shuō)明填寫(xiě)注意事項(xiàng);參加者完成調(diào)查表的填寫(xiě)，當(dāng)場(chǎng)回收;檢查調(diào)查卷的完整性，如有空缺或遺漏，當(dāng)場(chǎng)補(bǔ)全。培訓(xùn)前和培訓(xùn)后5個(gè)月，對(duì)護(hù)士使用同一張調(diào)查表測(cè)評(píng)職業(yè)性腰背痛的認(rèn)知狀況和行為狀況進(jìn)行自身對(duì)照。

圖4（c）～（h）是翼翅（l=1，2，3 mm）曲面阻流體的壓強(qiáng)云圖和渦量云圖，從圖中可以看出翼翅對(duì)曲面阻流體的氣動(dòng)性能的影響是顯著的。阻流體弧長(zhǎng)L=50，60，70 mm 時(shí)，隨著翼翅長(zhǎng)l增大負(fù)壓區(qū)逐漸增大，渦量圖中剪切層與阻流體上側(cè)的分離愈發(fā)明顯，中間的內(nèi)循環(huán)渦流越大，因此曲面阻流體受到向上的吸引力也逐漸增大，相應(yīng)的曲面阻流體受到隨時(shí)間變化的橫向氣動(dòng)力峰值也逐漸增大，如圖5（b）～（d）所示。這說(shuō)明翼翅提高了阻流體在流場(chǎng)中的橫向氣動(dòng)力，壓電懸臂梁的振幅會(huì)隨之增大，從而提高了曲面風(fēng)能采集器的電壓與功率。而阻流體弧長(zhǎng)L=40 mm，翼翅使得阻流體更加扁平，所以仿真求解的橫向氣動(dòng)力隨翼翅長(zhǎng)l的增加反而減小。值得注意的是弧長(zhǎng)L=60 mm 的曲面阻流體，對(duì)比其在不同翼翅的壓強(qiáng)云圖可知，無(wú)翼翅時(shí)，剪切層附著在阻流體上，渦激振動(dòng)是曲面阻流體主要的風(fēng)致振動(dòng)類(lèi)型；當(dāng)阻流體有翼翅時(shí)，翼翅導(dǎo)致剪切層分離，引起曲面阻流體發(fā)生馳振，同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在弧長(zhǎng)L=70 mm 的曲面阻流體流場(chǎng)仿真結(jié)果中?？梢哉J(rèn)為翼翅使得L=60，70 mm 的曲面阻流體由渦激振動(dòng)向馳振轉(zhuǎn)變，并且翼翅越長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的可能性越大，這種現(xiàn)象可以改善渦激振動(dòng)僅僅在同步區(qū)有高振幅的局限，使曲面阻流體在更寬的風(fēng)速范圍內(nèi)具有大振幅。

圖4 （a1）～（a4），（c1）～（c4），（e1）～（e4），（g1）～（g4）為曲面阻流體仿真壓強(qiáng)云圖；（b1）～（b4），（d1）～（d4），（f1）～（f4），（h1）～（h4）為曲面阻流體渦量云圖Fig.4 （a1）～（a4），（c1）～（c4），（e1）～（e4），（g1）～（g4）are simulation pressure cloud diagrams of curved bluff body；（b1）～（b4），（d1）～（d4），（f1）～（f4），（h1）～（h4）are vorticity cloud of curved bluff body

圖5 不同弧度及不同翼翅長(zhǎng)曲面阻流體在風(fēng)場(chǎng)中受到橫向氣動(dòng)力與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 The relationship between lateral aerodynamic force and time of curved bluff bodies with different arcs and different wing lengths in the wind field

2.2 附加端蓋的曲面阻流體氣動(dòng)性能分析

為了揭示附加端蓋對(duì)曲面阻流體的影響，選取弦長(zhǎng)D=3.5 cm，高H=10 cm，弧長(zhǎng)L=50 mm 的曲面阻流體，對(duì)有無(wú)附加端蓋曲面阻流體進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。在Fluent 仿真軟件中建立了體積為1.0×0.4×0.4 m3的三維流場(chǎng)域，如圖6（a）所示。流場(chǎng)入口邊界的流速為4 m/s，方形與入口邊界垂直，出口邊界的壓力為零。流場(chǎng)被自由三角形網(wǎng)格離散化，并在阻流體邊界處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，如圖6（b）所示。三維流場(chǎng)域的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到315 萬(wàn)，該數(shù)量的網(wǎng)格確保了計(jì)算精度，但計(jì)算速度比較慢，因此采用Fluent 并行計(jì)算功能，加快運(yùn)行速度。

圖6 三維流場(chǎng)分析圖Fig.6 3D flow field analysis diagram

有無(wú)端蓋曲面阻流體三維數(shù)值仿真壓強(qiáng)云圖如圖7所示。壓強(qiáng)云圖是穩(wěn)態(tài)迭代2000 步之后的計(jì)算結(jié)果，兩種阻流體的橫向側(cè)負(fù)壓區(qū)大小均在-6 Pa附近，但有端蓋的曲面阻流體側(cè)面負(fù)壓區(qū)作用的范圍大于無(wú)端蓋曲面阻流體。當(dāng)負(fù)壓區(qū)在阻流體側(cè)面覆蓋的范圍越大，阻流體在該側(cè)受到的氣動(dòng)力合力越大。從圖中發(fā)現(xiàn)附加端蓋曲面阻流體側(cè)面被最小負(fù)壓區(qū)覆蓋的面積大于無(wú)端蓋的曲面阻流體，上述仿真結(jié)果說(shuō)明垂直氣流的確削弱了曲面阻流體的橫向氣動(dòng)力。

圖7 曲面阻流體三維仿真壓強(qiáng)云圖Fig.7 3D simulation pressure cloud diagram of curved bluff body

有無(wú)附加端蓋的阻流體的負(fù)壓區(qū)域的分布有一定差異，附加端蓋曲面阻流體上的負(fù)壓區(qū)關(guān)于阻流體H/2 處的截面對(duì)稱(chēng)分布，而無(wú)端蓋曲面阻流體的負(fù)壓區(qū)主要在H/2 截面以下。考慮到曲面阻流體與壓電懸臂梁連接在H/2 處，對(duì)稱(chēng)分布的負(fù)壓保證了曲面阻流體穩(wěn)定地橫向振動(dòng)，而非對(duì)稱(chēng)分布的負(fù)壓將導(dǎo)致阻流體在迎風(fēng)面發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于壓電梁在扭轉(zhuǎn)方向的剛度非常大，壓電梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形可以忽略不計(jì)，負(fù)壓區(qū)非對(duì)稱(chēng)分布會(huì)影響阻流體橫向振動(dòng)的穩(wěn)定性，并削弱振幅。因此仿真結(jié)果很好地說(shuō)明附加端蓋提高了曲面阻流體的橫向氣動(dòng)力。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)研究中，懸臂梁選用錫青銅，其長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為180，10 和0.8 mm。電容Cp= 0.25 nF 的柔性壓電材料（MFC，M2503-P1，Smart Material Corp，Germany）被粘貼在懸臂梁根部，壓電片與阻值R=820 kΩ 的最優(yōu)負(fù)載電阻串聯(lián)。風(fēng)源由軸流風(fēng)機(jī)提供，風(fēng)能采集器固定在截面尺寸為40×40 cm2的風(fēng)洞中，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器（東華DH-5922）用于采集并顯示風(fēng)能采集器輸出的電壓信號(hào)，熱線(xiàn)式風(fēng)速計(jì)（中國(guó)臺(tái)灣泰仕TES -1341）測(cè)量風(fēng)洞中的風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 曲面馳振風(fēng)能采集器的實(shí)驗(yàn)圖Fig.8 Experimental diagram of the curved galloping wind energy harvester

3.1 翼翅曲面馳振風(fēng)能采集實(shí)驗(yàn)

將仿真的4 種弧長(zhǎng)做成實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖9為翼翅曲面馳振風(fēng)能采集實(shí)驗(yàn)裝置圖。測(cè)試風(fēng)速范圍為1～5 m/s，實(shí)驗(yàn)得到不同長(zhǎng)度翼翅曲面風(fēng)能采集器與普通曲面風(fēng)能采集器輸出的均方根電壓隨風(fēng)速變化，如圖10所示。圖中藍(lán)柱部分為無(wú)翼翅曲面風(fēng)能采集產(chǎn)生的均方根電壓Vn，紅柱部分為安裝翼翅之后采集器增加的均方根電壓Vw-Vn，藍(lán)柱和紅柱疊加值為翼翅優(yōu)化后風(fēng)能采集器產(chǎn)生的均方根電壓Vw。當(dāng)弧長(zhǎng)L=50，60，70 mm 時(shí)，翼翅優(yōu)化后均方根電壓增量Vw-Vn總體趨勢(shì)隨著翼翅的增長(zhǎng)而增加，但弧長(zhǎng)L=40 mm 的阻流體在翼翅長(zhǎng)l=2，3 mm 的情況下，翼翅反而抑制電壓增長(zhǎng)，此時(shí)Vw-Vn的值為負(fù)，這種現(xiàn)象是由于翼翅的添加使得曲面阻流體更加扁平，從而使振幅減小造成的，與圖5（a）中數(shù)值仿真計(jì)算橫向氣動(dòng)力隨翼長(zhǎng)變化的趨勢(shì)基本吻合。阻流體弧長(zhǎng)L=70 mm 時(shí)，翼翅（l=1，2 mm）對(duì)風(fēng)能采集器的輸出電壓影響不明顯，僅當(dāng)l=3 mm 時(shí)，翼翅才開(kāi)始促進(jìn)電壓輸出。

圖9 翼翅曲面馳振風(fēng)能采集器樣機(jī)Fig.9 Prototype of the curved galloping wind energy harvester

圖10 不同長(zhǎng)度的翼翅優(yōu)化前后輸出均方根電壓隨風(fēng)速變化的柱狀圖Fig.10 Histogram of output RMS voltage with wind speed before and after optimization of wings with different lengths

以仿真結(jié)論作參考，選取圖3 弧長(zhǎng)的曲面阻流體，實(shí)驗(yàn)得到所有弧長(zhǎng)的翼翅曲面風(fēng)能采集器（l=0，3 mm）隨風(fēng)速變化的平均功率對(duì)比圖，如圖11所示。除弧長(zhǎng)L=40 mm 以外，其他弧長(zhǎng)在添加翼翅（l=3 mm）后的平均功率均高于無(wú)翼翅曲面馳振風(fēng)能采集器，且弧長(zhǎng)L=45 mm，l=3 mm 的曲面馳振采集器的輸出功率最大。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，添加翼翅（l=3 mm）的平均功率為49.5 μW，無(wú)翼翅的平均功率為28.5 μW，添加翼翅使器件的平均功率增加了1.7 倍。

圖11 翼翅（l=0 和l=3 mm）曲面馳振風(fēng)能采集器的平均功率隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)圖Fig.11 The average power of the wings（l=0 and l=3 mm）curved galloping wind energy harvester vary with wind speeds

3.2 附加端蓋曲面馳振風(fēng)能采集實(shí)驗(yàn)

選取了圖3 中弧長(zhǎng)的阻流體，制作成實(shí)物，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了附加端蓋對(duì)曲面風(fēng)能采集器電輸出特性的影響。圖12所示為附加端蓋曲面馳振風(fēng)能采集實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)試風(fēng)速范圍1～5 m/s，有無(wú)附加端蓋曲面風(fēng)能采集器輸出的均方根電壓如圖13所示，圖中藍(lán)柱部分為曲面風(fēng)能采集產(chǎn)生的均方根電壓Vn，紅柱部分為安裝附加端蓋之后曲面風(fēng)能采集器增加的均方根電壓Vw-Vn，藍(lán)柱和紅柱疊加值為附加端蓋優(yōu)化后風(fēng)能采集器產(chǎn)生的均方根電壓Vw。

圖12 附加端蓋曲面馳振風(fēng)能采集器樣機(jī)Fig.12 Prototype of wind energy collector with surface galloping vibration with additional end cover

從圖13 的柱狀圖可知，附加端蓋很好地提高了風(fēng)能采集器輸出的均方根電壓，這是因?yàn)楦郊佣松w減少了垂直氣流，使得來(lái)流可以更好地作用于阻流體的橫向振動(dòng)方向。當(dāng)L＞50 mm 時(shí)，附加端蓋顯著提高了曲面風(fēng)能采集器輸出電壓，是因?yàn)榛￠L(zhǎng)越大，損失的垂直氣流越多，從而附加端蓋的效果越明顯。例如，弧長(zhǎng)L=60 mm 時(shí)，在5 m/s 風(fēng)速下，均方根電壓由優(yōu)化前的0.8 V 升為優(yōu)化后的4.8 V。附加端蓋沒(méi)有影響曲面阻流體的側(cè)面結(jié)構(gòu)，弧長(zhǎng)L=65，70 mm 的曲面風(fēng)能采集器輸出的均方根電壓雖然有所提高，但采集器的振動(dòng)模式依然類(lèi)似于渦激振動(dòng)，電壓隨風(fēng)速先增大后減小，即出現(xiàn)了同步區(qū)，弧長(zhǎng)L=65 mm 時(shí)同步區(qū)在風(fēng)速4.5 m/s 附近且峰值電壓為3.9 V；弧長(zhǎng)L=70 mm 時(shí)同步區(qū)在風(fēng)速3.5 m/s 附近且峰值電壓為1.8 V。

圖13 不同弧長(zhǎng)曲面風(fēng)能采集器附加端蓋優(yōu)化前后電壓隨風(fēng)速變化的柱狀圖Fig.13 Histogram of changes in voltage with wind speed before and after optimization of additional end covers for wind energy harvesters with different arc lengths and curved surfaces

同時(shí)還對(duì)有無(wú)端蓋的曲面風(fēng)能采集器輸出平均功率隨風(fēng)速變化進(jìn)行分析，如圖14所示。從圖中可知，當(dāng)弧長(zhǎng)L=45 mm 時(shí)，附加端蓋對(duì)平均功率影響最為顯著；在風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，附加端蓋的平均功率為46.8 μW，無(wú)端蓋的平均功率為28.5 μW，平均功率增加了1.6 倍。結(jié)果表明，附加端蓋提高了所有實(shí)驗(yàn)測(cè)試弧長(zhǎng)的曲面風(fēng)能采集器的平均功率，并且將器件的起振風(fēng)速由2 m/s 降為1.5 m/s。

圖14 無(wú)端蓋與附加端蓋曲面風(fēng)能采集器的平均功率隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)圖Fig.14 Without and with end cover curved surface wind energy harvester average power versus wind speed curve

4 結(jié)論

提出具有氣動(dòng)性能改進(jìn)可能性的曲面阻流體設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步通過(guò)翼翅和附加端蓋改進(jìn)曲面阻流體的氣動(dòng)性能。具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)L＜40 mm 時(shí)，阻流體的截面近似于平板，而當(dāng)L＞70 mm 時(shí)，截面近似于圓柱，故本文研究所選取的曲面阻流體弧長(zhǎng)為40～70 mm，當(dāng)阻流體弧長(zhǎng)L=40 mm，翼翅使得阻流體區(qū)域扁平，所以橫向氣動(dòng)力隨翼翅長(zhǎng)度的增加反而減??；當(dāng)阻流體弧長(zhǎng)L=50，60，70 mm 時(shí)，翼翅越長(zhǎng)，各弧長(zhǎng)曲面阻流體兩側(cè)剪切層分離越明顯，產(chǎn)生的橫向升力越大。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弧長(zhǎng)為L(zhǎng)=40 mm 阻流體的截面過(guò)于扁平，所以翼翅曲面風(fēng)能采集器輸出均方根電壓隨翼翅長(zhǎng)度增加而減少；曲面阻流體弧長(zhǎng)L=45～65 mm，翼翅曲面風(fēng)能采集器輸出的電壓增量Vw-Vn隨翼翅長(zhǎng)度增加而增加；弧長(zhǎng)L=70 mm的曲面風(fēng)能采集器受翼翅的影響不明顯。當(dāng)弧長(zhǎng)L=45 mm，l=3 mm 在風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，器件的平均功率相比無(wú)翼翅時(shí)增加了1.7 倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

（3）在附加蓋的仿真壓強(qiáng)云圖中，附加端蓋使曲面阻流體側(cè)面負(fù)壓區(qū)域面積更大，并且負(fù)壓區(qū)在H/2 處的截面對(duì)稱(chēng)分布。因此附加端蓋提高了曲面阻流體上的橫向升力，并削弱了因非對(duì)稱(chēng)分布的負(fù)壓所導(dǎo)致阻流體在迎風(fēng)面發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在風(fēng)速1～5 m/s 內(nèi)，附加端蓋增加了各弧長(zhǎng)的曲面風(fēng)能采集器的輸出電壓和平均功率，當(dāng)弧長(zhǎng)L=45 mm，在風(fēng)速5 m/s時(shí)，有端蓋相比無(wú)端蓋的平均功率增加了1.6倍，與仿真結(jié)論一致。

（5）翼翅和端蓋均使曲面風(fēng)能采集器的有效工作風(fēng)速域拓寬，且起振風(fēng)速由2 m/s 降到1.5 m/s。