流致渦激振動(dòng)壓電發(fā)電風(fēng)能采集技術(shù)模擬研究

杜小振， P. A. Mbango-Ngoma， 常 恒， 張 咪， 王 宇

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

壓電振動(dòng)能量收集獲得廣泛研究，拓展激振響應(yīng)頻率可有效提高壓電發(fā)電效率和輸出功率[1]。流致渦激振動(dòng)能量采集[2]和優(yōu)化流場(chǎng)鈍體，使漩渦脫落頻率與壓電換能結(jié)構(gòu)固有頻率一致。鈍體結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高壓電發(fā)電輸出能量。研究方法包括仿真建模、理論及實(shí)驗(yàn)等。Wu等[3]采用OpenFOAM軟件建模方法模擬了雷諾數(shù)為500時(shí)與鈍體剛度連接的渦激控制圓桿間隙比(鈍體表面間隙與鈍體直徑比)及其對(duì)稱布置分布角度等產(chǎn)生的渦激振動(dòng)(VIV)效果。Hu G等[4]在風(fēng)能采集器圓柱鈍體上下兩側(cè)迎風(fēng)面安裝橫截面形狀為圓形、三角形和正方形渦激調(diào)節(jié)元件，在迎風(fēng)面安裝三角形結(jié)構(gòu)呈120°角度時(shí)能有效地提高渦激橫向風(fēng)力。王世龍等[5]仿真分析振蕩水柱氣室排氣風(fēng)筒內(nèi)渦激壓電懸臂梁振動(dòng)收集海洋能，能夠?qū)⒌皖l的波浪振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻風(fēng)激壓電懸臂梁振動(dòng)，輸出電壓達(dá)到6.1 V，有效的提高了壓電發(fā)電效率。Hu等[6]提出一種渦激振動(dòng)壓電風(fēng)速傳感器，采用有限元方法分析了功率譜與幾何參數(shù)(壓電元件尺寸和位置)之間的關(guān)系。Wang等[7]設(shè)計(jì)Y形高性能壓電風(fēng)能采集器，基于實(shí)驗(yàn)和LBM(Lattice-Boltzmann CFD method)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析振幅和頻率，證實(shí)了從渦激振動(dòng)到馳振的轉(zhuǎn)變。Dai等[8]實(shí)驗(yàn)研究鈍體方向(底部、頂部、水平和垂直)與低風(fēng)速和高風(fēng)速(1～20 m/s)范圍壓電采集器的固有頻率、阻尼、同步區(qū)等對(duì)輸出功率的影響。Su等[9]提出采用U形梁、一對(duì)壓電片和一個(gè)附著在梁中心的泡沫圓柱體組成的渦激雙向壓電能量采集器。宋汝君等[10]提出了一種壓電懸臂梁和末端圓柱體組成的水流渦激振動(dòng)復(fù)擺式壓電俘能器，采用流-固-電耦合仿真方法，分析了較低水流流速下實(shí)現(xiàn)高頻渦激共振特點(diǎn)。趙道利等[11]設(shè)計(jì)了一種適用于低流速水流中的懸臂梁式壓電能量收集器，利用明渠流彎道水槽研究了五種截面形狀鈍體質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器，結(jié)果表明截面為三棱柱鈍體質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)輸出性能較好。Sun等[12]提出一種基于自調(diào)諧渦激振動(dòng)壓電能量收集系統(tǒng)，在懸臂梁上配置可滑動(dòng)鈍體，擴(kuò)大了激振頻率鎖定范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鈍體高度0.12 m時(shí)，輸出平均功率增加110%。Wang等[13]提出上下耦合式雙晶壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究不同風(fēng)荷載寬頻發(fā)電獲得最大輸出電能為56.64 μW。王定標(biāo)等[14]采用等效電路法對(duì)變?nèi)墙孛骜Y振壓電能量俘獲器進(jìn)行建模，借助風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)鈍體頂角分別為30°，60°，90°下的馳振壓電俘能器的發(fā)電性能進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鈍體頂角為90°時(shí)發(fā)電性能最優(yōu)。Hu等[15]分析了渦流脫落中壓電能量采集區(qū)域的理論模型，通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流體速度和鈍體直徑優(yōu)化配合有助于提高系統(tǒng)發(fā)電性能。以上研究中，主要采用渦激尾流區(qū)域壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)電研究。渦激振動(dòng)空氣動(dòng)力能量分布區(qū)域研究較少，多以尾流區(qū)壓電懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)為主，沒有涉及渦激風(fēng)洞管壁圓形壓電發(fā)電研究。本文主要分析了鈍體結(jié)構(gòu)、尾流區(qū)域空氣動(dòng)力和管壁分布圓形壓電陣子激振發(fā)電特性等，拓展了渦激壓電發(fā)電有效利用模式。

1 渦激壓電發(fā)電風(fēng)能流場(chǎng)模型

1.1 流場(chǎng)模型

渦激振動(dòng)流場(chǎng)模型如圖1。氣流空氣動(dòng)力為流場(chǎng)動(dòng)力源，流經(jīng)鈍體繞流產(chǎn)生交替脫落的漩渦，進(jìn)而引起置于渦激振動(dòng)尾流區(qū)流場(chǎng)中的壓電薄膜在脫離漩渦交變壓強(qiáng)差作用下激振形變發(fā)電。為了分析尾流區(qū)渦街脫落頻率和漩渦強(qiáng)度，對(duì)比流場(chǎng)穩(wěn)定性并探究壓電薄膜的最佳取壓位置，在鈍體尾流區(qū)不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取流場(chǎng)流動(dòng)時(shí)壓力周期性變化特征。本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法并在距鈍體不同位置設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1(a)，B為鈍體迎風(fēng)面截面寬度(其中Bt、Bs、Br分別為三角形、方形、圓形鈍體迎風(fēng)截面邊長或直徑)，W為流場(chǎng)寬度，渦街脫離區(qū)域流場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P0位于鈍體右后方距離鈍體右邊界0.5B處，然后每隔0.5B的距離設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從左到右依次為P0～P4，提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)流場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用快速傅里葉變換(FFT)求得流場(chǎng)中的渦街脫落頻率和幅度，分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的流場(chǎng)特征，確定壓電換能能采集元件最佳位置。流場(chǎng)渦激壓力幅值大小即渦街強(qiáng)弱，對(duì)壓電薄膜發(fā)電性能影響較大。為此，對(duì)比分析了三角形、方形和圓形鈍體尾跡漩渦脫落特性，鈍體附近網(wǎng)格劃分如圖1(a)，考慮到鈍體周圍流場(chǎng)變化較為劇烈，其周圍網(wǎng)格做加密處理。通過二維流場(chǎng)仿真分析，得到圓形鈍體渦激振動(dòng)流場(chǎng)流線如圖1(b)，當(dāng)流體繞流鈍體形成周期性脫離漩渦，引起壓力波動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓電薄膜振動(dòng)發(fā)電。流場(chǎng)二維分析結(jié)果表明P1位置(距鈍體尾緣1B)渦激產(chǎn)生氣流壓差最大。為了更準(zhǔn)確地模擬壓電薄膜在流場(chǎng)中的發(fā)電特性，以二維仿真分析為基礎(chǔ)，建立三維流場(chǎng)模型，以三角形鈍體為例的三維流場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖1(c)，L、W、H分別為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算域長、寬、高，PVDF壓電薄膜中心放置在距鈍體尾緣1B的管壁上。計(jì)算域上下兩壁面為無滑動(dòng)壁面邊界，左側(cè)為空氣速度入口邊界，右側(cè)為壓力出口邊界。

1.2 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試

(1)

(2)

式中:N是按時(shí)間序列排列的結(jié)果數(shù);ρ為空氣密度;u為流體速度;B為迎風(fēng)面截面寬度;fd(t)和fL(t)分別是波動(dòng)的阻力和升力。

圖1 渦激壓電發(fā)電風(fēng)能流場(chǎng)模型

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

1.3 流場(chǎng)仿真與求解設(shè)置

目前廣泛采用k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算精度，適合高雷諾數(shù)湍流，但僅適用于完全湍流流場(chǎng)模擬。為了提高精度和考慮渦流漩渦現(xiàn)象等，提出了各種改進(jìn)的k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε是最具代表性的模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNGk-ε模型修正了湍動(dòng)粘度并考慮了流體漩轉(zhuǎn)情況，提高了計(jì)算精度，但不適用于近壁區(qū)和湍流雷諾數(shù)較低場(chǎng)合。Realizablek-ε模型為湍流黏性增加了一個(gè)公式，對(duì)平板和圓柱射流發(fā)散率計(jì)算結(jié)果更加精確，且對(duì)于漩轉(zhuǎn)均勻剪切流、自由流、邊界層流動(dòng)和腔道流動(dòng)等模擬效果好。據(jù)此，本文選擇Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真。本文的流場(chǎng)流體介質(zhì)為空氣，密度1.225 kg/m3，動(dòng)力黏度1.789 4×105Pa·s。分別定義7個(gè)入口速度：2.6 m/s、4.8 m/s、7.5 m/s、9 m/s、11 m/s、14.7 m/s和18.8 m/s。為了確保計(jì)算過程穩(wěn)定性，選擇壓力-速度耦合求解器，對(duì)應(yīng)算法有SIMPLE、SIMPLEC和PISO三種，其中SIMPLE和SIMPLEC常用于計(jì)算定常流動(dòng)，而且SIMPLEC算法穩(wěn)定性好、求解速度快，適用于多種計(jì)算工況。PISO算法適用于非定常流計(jì)算和網(wǎng)格偏斜較嚴(yán)重的模型，但該算法計(jì)算量大，算時(shí)較長。本文選用SIMPLEC算法進(jìn)行求解，依據(jù)本算例的網(wǎng)格劃分形式及計(jì)算精度，選擇二階迎風(fēng)離散格式模擬流場(chǎng)。

2 漩渦發(fā)生體優(yōu)化比較

2.1 鈍體形狀對(duì)尾流區(qū)壓強(qiáng)影響

氣流經(jīng)相同鈍體結(jié)構(gòu)，雖然風(fēng)速變化，在尾流區(qū)流場(chǎng)渦街脫落渦漩、壓力及速度場(chǎng)的分布狀態(tài)相似，但脫落頻率與振幅存在差別，影響壓電單元發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)電特性。以風(fēng)速u=7.5 m/s為例對(duì)流場(chǎng)分析，空氣流經(jīng)三角形、方形和圓形鈍體的流場(chǎng)壓力云圖和速度云圖分別如圖3(a)和(b)。壓力云圖顯示高壓區(qū)基本出現(xiàn)在迎風(fēng)面區(qū)域，低壓區(qū)則在下游流動(dòng)時(shí)交替分布。當(dāng)漩渦從鈍體上脫落時(shí)，靠近管壁的區(qū)域會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，隨著漩渦繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，低壓區(qū)將向下游轉(zhuǎn)移并被一個(gè)高渦所取代，而前一個(gè)高壓區(qū)則被一個(gè)較低壓力的漩渦所取代，中心壓力降低，并沿徑向遞增。對(duì)比三角形、方形和圓形鈍體的漩渦分布可知，圓形鈍體低壓區(qū)從鈍體兩側(cè)開始脫落且尾流區(qū)的擺動(dòng)幅度較小，漩渦主要聚集在鈍體兩側(cè)；而方形鈍體和三角形鈍體的低壓區(qū)從迎流面的兩個(gè)尖點(diǎn)開始脫落且漩渦逐漸向管壁兩側(cè)擴(kuò)展，擺動(dòng)幅度較大。從中可以得出結(jié)論，兩個(gè)尖點(diǎn)的存在增強(qiáng)了前緣位置的摩擦阻力和速度梯度，促使漩渦徑向擴(kuò)散。

圖3 流經(jīng)鈍體流場(chǎng)壓力與速度云圖

2.2 渦街漩渦與壓電薄膜作用過程

尾流流場(chǎng)內(nèi)渦街脫落對(duì)壓電薄膜作用過程如圖4，流場(chǎng)風(fēng)速18.8 m/s時(shí)壓電薄膜置于鈍體尾流1B位置三維流場(chǎng)截面渦量云圖。在t=0.05 s時(shí)，漩渦形成初期附著在三角形鈍體兩側(cè)，未發(fā)生分離；當(dāng)t=0.1 s時(shí)，漩渦1到達(dá)壓電薄膜下表面，壓迫薄膜向上變形；而當(dāng)漩渦1從鈍體脫離時(shí)漩渦2在鈍體另一側(cè)逐漸形成；當(dāng)t=0.15 s時(shí)，漩渦2成型，漩渦1逐漸擴(kuò)散，使薄膜下表面壓力消散，壓力消失，形變回復(fù)；當(dāng)t=0.2 s時(shí)，漩渦3到達(dá)壓電薄膜下表面，并在下表面形成壓力差推動(dòng)壓電薄膜再次向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)漩渦3向下擴(kuò)散衰減后，鈍體另一側(cè)再次形成新的漩渦，如此往復(fù)。每一個(gè)漩渦的形成和消散都會(huì)經(jīng)歷成形-壯大-衰減過程。漩渦脫落分離過程致使壓電薄膜下表面的壓力差值不斷改變，引起應(yīng)力應(yīng)變，利用壓電圓片機(jī)電耦合效應(yīng)轉(zhuǎn)換渦激動(dòng)能為電能。

圖4 渦街漩渦與壓電薄膜作用過程

Fig.4 Vortex and piezoelectric film interaction

2.3 最優(yōu)監(jiān)測(cè)位置與壓電能收集分析

壓電晶圓換能結(jié)構(gòu)在渦街尾流區(qū)受到波動(dòng)氣壓作用，為了確定最優(yōu)能量轉(zhuǎn)換區(qū)域，需要進(jìn)行渦街脫離流場(chǎng)分析。根據(jù)圖5(a)可知，P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)間變化曲線接近正弦曲線。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置改變，流場(chǎng)中各點(diǎn)的壓力隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)為非正弦曲線狀態(tài)。對(duì)壓力時(shí)間曲線進(jìn)行FFT分析，獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處漩渦脫落頻率如圖5(b)。對(duì)比五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力FFT變換曲線，發(fā)現(xiàn)P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度最大，且只存在一個(gè)主峰，說明發(fā)生體表面渦街分布均勻。而P0、P2～P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在多個(gè)峰值，主峰相對(duì)較弱，渦街脫離不穩(wěn)定。根據(jù)渦街信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析，可以確定最佳壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在P1(180，55)附近，將壓電薄膜放置此區(qū)域范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠獲得較高能量采集性能。

為了進(jìn)一步研究鈍體結(jié)構(gòu)對(duì)尾流區(qū)壓力影響，在風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)方形鈍體和圓形鈍體的壓力波動(dòng)曲線及FFT變換曲線分別如圖5(a2)、(a3)和(b2)、(b3)。根據(jù)方形鈍體壓力云圖可知，當(dāng)風(fēng)流經(jīng)方形鈍體時(shí)，P0、P1和P2監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的漩渦比較穩(wěn)定，因此在壓力-時(shí)間曲線中表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，如圖5(a2)，而P3、P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)漩渦由于存在耗散，導(dǎo)致漩渦變得不穩(wěn)定，壓力-時(shí)間曲線表現(xiàn)為不規(guī)則正弦輸出。觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的FFT變換曲線，發(fā)現(xiàn)P0～P4五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力幅值相差較小，P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)幅值略高于其它幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的幅值，但由于方形鈍體不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相位有所差異，F(xiàn)FT變換曲線存在不同程度的擾動(dòng)，如圖5(b2)。

五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置壓強(qiáng)變化對(duì)比如圖5(a)系列，與方形鈍體相比，圓形鈍體尾跡的壓強(qiáng)幅度相差較大，但其幅值較小。主要由于鈍體邊界比較光滑，表面渦街分離不均衡導(dǎo)致反轉(zhuǎn)速度梯度較小，壓差較小。根據(jù)圓形鈍體不同位置處FFT曲線可知，P0和P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力信號(hào)穩(wěn)定，但P0監(jiān)測(cè)點(diǎn)的幅值要明顯要低于P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而P2～P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)不穩(wěn)定且幅值較小。主要是P0監(jiān)測(cè)點(diǎn)離鈍體較近，渦街剛從鈍體表面脫離，未得到完全發(fā)展，氣流波動(dòng)較小；P2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的渦街漩渦雖得到了充分發(fā)展，但該區(qū)域壓力較小，而對(duì)于P3和P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其距離鈍體位置較遠(yuǎn)，形成的渦街不穩(wěn)定導(dǎo)致能量發(fā)生分散，壓強(qiáng)逐漸減弱。

2.4 鈍體尾流區(qū)渦街強(qiáng)度分析

渦街強(qiáng)度表征了由漩渦引起的流場(chǎng)振動(dòng)特性。設(shè)計(jì)鈍體迎風(fēng)面寬度30 mm，以不同風(fēng)速流經(jīng)三角形鈍體，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力相差明顯，為了確定最佳壓力點(diǎn)位置，圖6(a)給出了風(fēng)速與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)渦街強(qiáng)度關(guān)系，數(shù)據(jù)取渦街強(qiáng)度最大峰值。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)到鈍體距離變化，渦街強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)，且風(fēng)速越大，趨勢(shì)越明顯。同時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，漩渦脫落強(qiáng)度明顯增加。比較不同鈍體在P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的渦街強(qiáng)度幅值，如圖6(b)。三種鈍體產(chǎn)生的渦街強(qiáng)度相差較大，三角形鈍體最高。由于三角形鈍體的后緣邊長較短甚至變?yōu)榧怃J棱角，使鈍體兩側(cè)分離的漩渦相遇時(shí)間變短，漩渦脫落速度加快，在每次漩渦脫落的過程中，都會(huì)伴隨產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致柱體振動(dòng)加強(qiáng)，幅值增大；對(duì)于圓形和方形鈍體，其后緣邊長導(dǎo)致兩側(cè)渦街相互作用時(shí)間被延長，振幅較小，信號(hào)強(qiáng)度弱。綜上分析，氣流流經(jīng)三角形鈍體獲得的壓力幅值最大。據(jù)此，三角形鈍體渦激壓電薄膜振動(dòng)效果最優(yōu)。

(a) 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與渦街強(qiáng)度關(guān)系

2.5 鈍體尾流區(qū)漩渦頻率分析

壓電薄膜能量采集性能與渦街頻率密切相關(guān)，當(dāng)薄膜固有頻率與漩渦脫落頻率相匹配時(shí)達(dá)到共振頻率范圍，可輸出較大能量。漩渦脫落頻率主要受風(fēng)速和鈍體尺寸影響，分析不同迎風(fēng)面寬度和風(fēng)速下漩渦脫落頻率。三角形鈍體尾流區(qū)獲得渦街頻率如圖7。當(dāng)迎風(fēng)面寬度一定時(shí)，渦激頻率隨風(fēng)速增加呈直線增大；隨著迎風(fēng)面寬度的增大，風(fēng)速對(duì)頻率的影響逐漸降低。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，頻率隨迎風(fēng)面寬度增加逐漸降低；隨著風(fēng)速增加，迎風(fēng)面寬度對(duì)脫落頻率影響增大。當(dāng)迎風(fēng)面寬度為30 mm，風(fēng)速從2.6 m/s增加到18.8 m/s時(shí)，漩渦脫落頻率由18.2 Hz增加至131.6 Hz，頻率增加效果明顯；風(fēng)速增加，壓電發(fā)電輸出能量提高。

3 渦激振動(dòng)壓電風(fēng)能采集系統(tǒng)輸出特性分析

壓電薄膜尺寸為φ35 mm×30 μm的PVDF壓電薄膜周邊固支，在流場(chǎng)風(fēng)速18.8 m/s時(shí)，尾流漩渦激勵(lì)作用產(chǎn)生應(yīng)力分布和壓電薄膜變形如圖8。當(dāng)壓電薄膜發(fā)生彎曲變形時(shí)，壓電薄膜的最大應(yīng)力集中在邊界位置處，且沿半徑方向由內(nèi)向外逐漸增大。渦激作用下不同壓電薄膜厚度形變?cè)茍D如圖8(b)。

圖7 漩渦脫落頻率與風(fēng)速和迎風(fēng)面寬度關(guān)系

(a) 應(yīng)力分布云圖

圖9(a)和(b)分別分析了壓電薄膜厚度與形變量和開路電壓等時(shí)間響應(yīng)曲線。隨著壓電薄膜厚度的增加，薄膜總體變形量減小；當(dāng)厚度由30 μm增加到100 μm時(shí)，最大形變量從0.989×10-3m逐漸減小到0.301×10-5m。壓電薄膜的開路電壓波形均呈正弦變化，輸出電壓幅值隨形變量增加而增高。在鈍體迎流面寬度30 mm，壓電薄膜厚度30 μm，風(fēng)速18.8 m/s時(shí)，壓電振子輸出電壓達(dá)到8.07 V。圖9(c)和(d)分別描述了風(fēng)速和鈍體直徑改變時(shí)壓電薄膜開路電壓隨時(shí)間響應(yīng)曲線。隨著風(fēng)速的增加，壓電薄膜開路電壓顯著增大；隨著鈍體直徑的增加，壓電薄膜的開路電壓亦隨之增加，而渦激頻率隨之減小，電壓從8.07 V增加到8.97 V，對(duì)應(yīng)的頻率從131.6 Hz減小到78.9 Hz。

(a) 壓電薄膜徑向各點(diǎn)形變量

4 結(jié) 論

基于流體力學(xué)控制方程及鈍體繞流相關(guān)理論，采用Fluent流體分析軟件中的Realizable k-ε湍流模型仿真分析流致渦激壓電風(fēng)能采集系統(tǒng)。

(1) 流場(chǎng)繞流鈍體二維流場(chǎng)分析結(jié)果獲取渦街在流場(chǎng)中的壓力分布特點(diǎn)、渦脫落規(guī)律。在鈍體尾流區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究了不同位置處的漩渦強(qiáng)度和穩(wěn)定性，渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置變化關(guān)系。對(duì)比不同鈍體形狀和風(fēng)速下漩渦強(qiáng)度，結(jié)果表明：三角形鈍體渦激強(qiáng)度最大，同時(shí)比較尾流區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)渦激強(qiáng)度，能夠確定壓電換能器最佳分布位置。

(2) 建立流致渦激壓電風(fēng)能采集系統(tǒng)的三維仿真模型，研究渦流激勵(lì)發(fā)電性能。確定壓電薄膜位移和開路電壓隨時(shí)間變化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)壓電薄膜的厚度為30 μm以及鈍體直徑為30 mm時(shí)，輸出電壓為正弦信號(hào)且最大電壓為8.07 V。