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水下涡致振动压电能量收集结构的研究进展
编辑:计算机科学与技术学院 李莉     发布时间:2018-10-15


计算机科学与技术学院李莉老师与安然然老师的研究团队最近提出了一种新的水下涡致振动压电能量收集结构。该结构将双晶片压电悬臂梁平行于圆筒轴向和流体来流方向放置于柔性薄壁圆筒内部,当流体流经该圆筒时,在流速、圆筒结构满足涡致振动条件下,会在圆筒两侧形成交替的漩涡脱落从而驱动柔性圆筒在垂直于来流方向往复振动,进而带动压电梁产生振动(如图1所示)。当脱涡频率与结构固有频率接近时,能得到持续稳定的电能输出,从而获得最佳的能量转换效率。目前,该结构在国内外未见有类似报道。该结构能在低流速下(流速<1m /s)启动,可以为水下无线传感器网络节点等设备提供稳定、持续的电能。

本项目先后获得国家自然科学基金青年基金、辽宁省自然科学基金及省教育厅科技基金等多项资助,在国内外科技期刊和会议发表论文SCI、EI收录论文多篇,申请国家发明专利多项,并已获批1项。

目前,李莉老师和安然然老师的研究团队对该能量收集结构的理论和实验研究已经取得突破性进展。已经推导出该结构的一维流固耦合振动方程,得到了该结构的振动频率和位移;建立了结构的三维流固耦合有限元计算机仿真模型,分析了流体流速、结构参数与能量收集结构振动性能的关系,如图2所示;搭建了小型和中型水循环实验装置,研制了能量收集结构原型机。近期将通过实验研究能量收集结构的振动机理;分析不同实验条件对结构涡致振动性能的影响;搭建大型实验装置,研制出量产化的能量收集器件。

这种结构可以在海底等流速低且不稳定的环境下,实现持续稳定的能量收集,还可以通过在水底沿来流方向放置一排或多排的布阵方式,见图3所示,来增加收集的能量。本研究可以为国家战略性技术之一的水下无线传感器网络无线节点的供电问题提供一种解决方案。


图1 涡致振动原理




图2 三维流固耦合有限元仿真涡致振动状态




图3 涡致振动能量收集结构阵列



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