涡激振动压电俘能的紧耦合机理研究

It has been a new way to harvest energy from environment which is high-efficiently and clear. During the research on piezoelectric energy from vortex induced vibration, it is vital to study the mechanism of the coupling of multiple physical fields. It has been shown in the former work of the proposer that the two-way tight fluid-structure interaction can be successfully solved. In this project, the three-way coupling of electric field, flow field and vibration force field will be conducted and verified by experimental method, and at last the mechanism of the coupling of multiple physical fields in piezoelectric energy from vortex induced vibration can be obtained.Meanwhile, different flow fields, vibration diameters and piezoelectric loop will be investigated to realize the optimizing for the piezoelectric energy harvesting system from vortex induced vibration and present a reasonable, high-efficient and optimized energy harvesting system. Later on, basing on the optimized designed parameters and combining with the wind tunnel test part, the power output and energy harvesting efficiency and other key impact factors will be measured, and at last, the goal of applying the mechanism of the coupling of multiple physical fields to harvest energy will be realized. The present work can be significant to reveal the mechanism of piezoelectric energy harvesting from vortex-induced vibration.

利用压电转换原理收集涡激振动中的流动能是一种持续稳定的新型俘能方式。在涡激振动压电俘能研究中，多物理场耦合的机理研究至关重要。申请人在前期研究中使用流固双向紧耦合方法解决了涡激振动问题，提出了一种解决机-电松耦合的方法。本项目拟进一步将电场与涡激振动进行紧耦合，开发流-机-电三向紧耦合求解器，使用实验方法进行验证，揭示涡激振动压电俘能系统中多物理场紧耦合机理。同时，使用数值计算方法针对不同条件下的涡激振动压电俘能系统进行优化，提出优化的涡激振动压电俘能参数。基于优化设计参数，结合风洞实验方法，测试俘能系统的俘能效率和输出功率等关键参数。本项目针对多物理场紧耦合机理的工作对于研究涡激振动压电俘能问题具有较强的实际意义。

近年来，环境俘能已成为一个重要研究课题并迅速获得关注。从环境中提取能量并将其转化为电能加以储存的微能源技术，具有功能持续、体积小、能量密度高等特点。20世纪90年代后期兴起的振动压电俘能技术因其可以从环境中捕捉流动能并转化为振动能，可持续无消耗供能，从而得到广泛关注。使用振动形式的俘能技术来收集流动能成为一种有效地解决小型化问题的途径。流体流动可以诱发流致振动现象。流致振动是指流体绕流钝体时，钝体由于受到周期性流动力而产生振动，其中涡激振动、驰振和颤振最为常见。本项目压电俘能的研究针对涡激振动这种周期性的流体-结构流固耦合现象。涡激振动的研究难点在于在实验中无法准确地得到涡激振动流场的瞬态分布及受力情况，数值计算手段中涡激振动的精准计算则必须基于双向紧耦合方法，须消耗大量计算机资源。在涡激振动压电俘能研究中，要求在流固耦合基础上，将电场与涡激振动进行耦合，即须解决流固电的多物理场耦合问题，目前针对上述问题的研究尚为匮乏。因此，本项目针对流固耦合系统与压电模块的多物理场耦合的机理研究具有较强实际意义。本项目通过使用基于XFLOW的格子玻尔兹曼方法对钝体绕流 流致振动进行数值模拟, 同时使用风洞实验对流致振动能量采集器进行实验研究, 获得了一系列优化成果及理论结论. 本项目采用理论研究和实验相结合的方法，重点研究了当流致振动发生时，以及俘能过程中多种物理场耦合的机理，并进一步使用数值模拟和风洞实验研究了俘能装置的钝体结构，负载电路等因素对俘能效率的影响，对俘能装置进行了优化设计。本项目针对涡激振动压电俘能中多物理场紧耦合机理的基础理论和相关技术的研究具有重要学术意义，其中重点研究多物理场耦合机理的理论模型建立及求解器的改进和开发。在理论模型基础上，考察不同条件对俘能效率的影响，获得俘能装置能量收集的优化方法。本项目研究对于完善涡激振动能量收集的研究有较强的实际作用和意义。