一种多绕流体诱导流场-压电耦合的能量收集结构及检测机构

技术领域

本申请涉及能量收集的技术领域,具体的涉及一种多绕流体诱导流场-压电耦合的能量收集结构及其检测机构。

背景技术

当流体在一定的雷诺数下流过钝体时，在钝体之后会出现一定频率的涡流脱落模式，一些研究人员设置了一套能够收集涡流脱落过程产生的能量的采集系统，该系统包括两部分：流体系统和压电能量收集系统。涡流脱落作为激励源是系统的关键部分。研究表明，涡流脱落的激发强度不仅与流体流动和钝体的相互作用有关，而且与上游流体的流动条件有关。

基于上述理论基础，有报道提供了一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器，该采集器利用压电效应在振动条件下俘能，在风载和磁力的耦合作用下，有效的增加了压电在单独风载作用下较小的锁定范围，更有利于在较小风速或者较大风速下俘获风能，增加了采集器的环境适应能力；该采集器是一种风-磁耦合作用供能的压电式俘能器，由于磁斥力或磁吸引力的引入使得扰流柱涡激振动发生变化，从而使压电悬臂梁的振幅和振动频率都发生了变化，进而使得能量采集器俘获的电压和功率均有所提高，增强了能量采集器的俘能效果；但是这种能量采集器其中的扰流柱仅仅为一个单独的扰流柱结构，因此导致该压电俘能器的设计单一，不能适应多种流速环境，并且无法调节实验参数，只能适用于风洞试验；而且其单一的扰流柱还是采用悬空方式进行设置，导致其结构位置很难稳定存在，如果风力过大或者其采用的磁铁磁性受到影响会导致扰流柱与主体结构脱离而无法正常运转。

发明内容

本申请针对现有技术的上述不足，提供一种具有多绕流柱体，并且结构稳定，还可以适应于水流介质的多绕流体诱导流场-压电耦合的能量收集结构。

为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种多绕流体诱导流场-压电耦合的能量收集结构，该结构主要包括流体槽，位于流体槽内的多个扰流柱，位于流体槽内的压电悬臂梁；所述的流体槽至少具有一个流体入口和一个流体出口，以及供流体承载的底壁和两个侧壁，底壁和两个侧壁的长度延伸方向与流体槽内流体的流通方向一致；所述的多个扰流柱和压电悬臂梁依次沿着流体槽内流体的流动方向设置；所述的多个扰流柱轴向延伸方向与所述的流体的流动方向垂直，且多个扰流柱沿着流体的流动方向按照由多至少的顺序排列；所述的压电悬臂梁的一端固定于流体槽上端面上、另一端深入至流体内。

采用上述结构，本申请在流体槽内同时设置了多个扰流柱结构，由于上游气流对下游绕流体的作用，多绕流柱体系统中会引入尾流驰振现象；多绕流柱体结构可以更好地发展这种现象，从而为能量收集系统产生激励；此外，本申请将多个扰流柱沿着流体的流动方向按照由多至少的顺序排列，可以有效的加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

进一步的，所述的多个扰流柱具体的设置有六个，且六个扰流柱沿着流体的流动方向依次设置有三组，第一组含有三个扰流柱、第二组含有二个扰流柱、第三组含有一个扰流柱；采用上述结构，加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

更进一步的，所述的第一组的三个扰流柱沿着流体槽的宽度方向并排设置，所述的第二组的二个扰流柱也沿着流体槽的宽度方向并排设置，所述的六个扰流柱任意相邻是三个呈等腰三角形结构排列；采用上述结构，使得六个扰流柱形成相互联动的交错结构，加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

进一步的，所述的第一组中彼此相邻的两个扰流柱之间的垂直中心距离为d，第二组中彼此相邻的两个扰流柱之间的垂直中心距离为d

进一步的，所述的扰流柱的直径为20毫米、高为80毫米；所述的流通槽内水流高度等于扰流柱的高度。

进一步的，本申请能量收集结构同时进行CFD建模和实验，并使用FLUENT进行模拟计。

更进一步的，FLUENT进行模拟计算的模型中网格采用混合网格，所述的混合网格包括自由流区域中的三角形网格和每个扰流柱周围的四边形网格；三角形网格便于划分周围不规则区域，柱体周围对计算精度要求较高，采用四边形可以提高计算精度。

更进一步的，每个扰流柱周围通过8-12层膨胀层进行细化，模型模拟过程使用的时间步长为0.001s(大约是涡流脱落周期的100倍)；上述这种膨胀层的设置和时间步长的设置，便于后续的流体仿真更加真实，接近于实际模型，可以控制误差在1％以内。

进一步的，本申请所述的压电悬臂梁包括竖向杆和横向杆，所述的横向杆垂直连接于竖向杆的一端、竖向杆的另一端与流体槽上方的固定装置连接；所述的横向杆位于流体槽内，且横向杆的长度沿着流体的流动方向延伸。

更进一步的，所述的压电悬臂梁为T型铜压电悬臂梁，压电悬臂梁铜片上末端附有一片压电贴片，用于将动能转换为电能。

更进一步的，所述的竖向杆的高度为L1，竖向杆宽度为L5，所述的横向杆的高度为L2，横向杆的宽度为L3，横向杆一侧相对竖向杆的宽度差为L4，所述的L1、L2、L3、L4和L5分别对应的尺寸为100mm、40mm、80mm、30mm和20mm；所述的压电悬臂梁的厚度(d1)为0.3mm；此T型压电悬臂梁结构可以提高水作用在横向端的力，并且使作用于竖向端的力更集中，以此来提高电压输出和收集效率。

本申请还提供一种含有上述能量采集结构的检测机构，该机构包括流体槽、水槽5，流体槽(一种敞口的管道式水槽)的一端为流体进口另一端为流体出口，其中流体进口与水槽连接，水槽通过连接管和水泵实现水的输送，流体槽的流体出口与蓄水槽承接(即从流体出口出来的水流入至蓄水槽中进行收集)，蓄水槽中设置连接水管，所述的连接水管与水泵相连通以驱动水体循环输送至水槽内(然后再进入流体槽中)；所述的连接管上设置有涡轮流量计；所述的流体槽内设置扰流柱和压电悬臂梁，所述的压电悬臂梁上设置了压电贴片，所述的压电贴片与数据采集系统电连接；采用上述机构，可以在实验用水箱即水槽中加入适量水，当水泵开始运行时，水将开始循环；水通过水泵和连接水管和连接管从蓄水槽流到水槽然后再进入流体槽；最终在开放的流体槽中创造一个稳定的流体环境；压电贴片的电压输出信号通过数据采集系统(电脑)收集，而水体的流量大小则从流量计(涡轮流量计)获得；上述过程可以验证系统的流体-结构相互作用特性，为系统提供稳定的流体环境具有重要意义。

附图说明

图1为本申请能量收集结构的示意图。

图2为本申请扰流柱的排列结构示意图。

图3为本申请扰流柱圆周围的网格示意图。

图4为本申请压电悬臂梁示意图。

图5为本申请能量收集结构的检测机构示意图(俯视)。

图6电压输出信号与流动时间的关系。

图7(a)G＝1,(b)G＝1.5,(c)G＝2,(d)G＝2.5,(e)G＝3,(f)G＝3.5时的流体轮廓。

图8电压输出与流速之间的关系。

图9电压输出与间隙比的关系。

如附图所示：1.流体槽，101.流体入口，102.流体出口，103.底壁，104.侧壁，2.扰流柱，3.压电悬臂梁，301.竖向杆，302.横向杆，4.压电贴片，5.水槽，6.连接道，7.水泵，8.蓄水槽，9.连接水管，10.涡轮流量计，11.数据采集系统。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是优选实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围；

此外要说明的是：当部件被称为“固定于”(及其与“固定于”类似含有的其它方式)另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在另一中间部件，通过中间部件固定。当一个部件被认为是“连接”(及其与“连接”类似含有的其它方式)另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在另一中间部件。当一个部件被认为是“设置于”(及其与“设置于”类似含有的其它方式)另一个部件，它可以是直接设置在另一个部件上或者可能同时存在另一中间部件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如附图1、5所示，为本申请的一种流体诱导多绕流体配置压电能量收集结构，该结构主要包括流体槽1，位于流体槽1内的多个扰流柱2，位于流体槽1内的压电悬臂梁3；所述的流体槽1至少具有一个流体入口101和一个流体出口102，以及供流体承载的底壁103和两个侧壁104，底壁103和两个侧壁104的长度延伸方向与流体槽1内流体的流通方向一致；所述的多个扰流柱2和压电悬臂梁3依次沿着流体槽内流体的流动方向设置(即多个扰流柱先接触流体，然后在流至压电悬臂梁位置)；所述的多个扰流柱2轴向延伸方向与所述的流体的流动方向垂直(即多个扰流柱沿着轴向的一端固定于流体槽内壁上，另一端沿着流体槽高度方向向上延伸)，且多个扰流柱2沿着流体的流动方向按照由多至少的顺序排列(即多个扰流柱沿着流体流动方向由多至少排列，具体参考附图2)；所述的压电悬臂梁3的一端固定于流体槽1上端面上、另一端深入至流体内。

采用上述结构，本申请在流体槽内同时设置了多个扰流柱结构，由于上游气流对下游绕流体的作用，多绕流柱体系统中会引入尾流驰振现象；多绕流柱体结构可以更好地发展这种现象，从而为能量收集系统产生激励；此外，本申请将多个扰流柱沿着流体的流动方向按照由多至少的顺序排列，可以有效的加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

如附图1-2所示，作为示例本申请所述的多个扰流柱2具体的设置有六个，且六个扰流柱沿着流体的流动方向依次设置有三组，第一组含有三个扰流柱、第二组含有二个扰流柱、第三组含有一个扰流柱；采用上述结构，加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

作为示例，如附图2所示，本申请所述的第一组的三个扰流柱沿着流体槽1的宽度方向并排设置(即沿着槽体宽度方向在同一直线上)，所述的第二组的二个扰流柱也沿着流体槽的宽度方向并排设置，所述的六个扰流柱任意相邻是三个呈等腰三角形结构排列；采用上述结构，使得六个扰流柱形成相互联动的交错结构，加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

如附图2所示，本申请所述的第一组中彼此相邻的两个扰流柱之间的垂直中心距离为d，第二组中彼此相邻的两个扰流柱之间的垂直中心距离为d

作为示例，本申请所述的扰流柱2的直径为20毫米、高为80毫米，流体槽内水流的高度等于扰流柱的高度；采用上述结构，可以加强尾流驰振现象，提高整体结构的能量收集效率。

作为示例，本申请的能量收集结构同时进行CFD建模(即将本申请的能量收集结构建模)和实验，并使用FLUENT进行模拟计算。

如附图3所示、作为示例本申请所述的FLUENT进行模拟计算的模型中网格采用混合网格，所述的混合网格包括自由流区域(即不是扰流柱覆盖占据的流体槽能供流通流经的区域)中的三角形网格和每个扰流柱2周围的四边形网格(四边形网格随着离每个扰流柱中心的逐渐外扩，网格也逐渐扩大)。

作为示例，本申请每个扰流柱周围通过8-12层膨胀层(即四边形网格层)进行细化，模型模拟过程使用的时间步长为0.001s(大约是涡流脱落周期的100倍)。

如附图1、4所示，本申请所述的压电悬臂梁3包括竖向杆301和横向杆302，所述的横向杆302垂直连接于竖向杆301的一端、竖向杆301的另一端与流体槽1上方的固定装置5(所述的固定装置可以是一种连接于流体槽两个侧壁上的夹具结构，与流体槽夹持固定，然后压电悬臂梁的上端固定在该夹具上即可)连接；所述的横向杆302位于流体槽1内，且横向杆302的长度沿着流体的流动方向延伸。

作为示例，本申请所述的压电悬臂梁为T型铜压电悬臂梁，其末端附有压电贴片4，用于将动能转换为电能。

作为示例，本申请压电悬臂梁所述的竖向杆的高度为L1，竖向杆宽度为L5，所述的横向杆的高度为L2，横向杆的宽度为L3，横向杆一侧相对竖向杆的宽度差为L4，所述的L1、L2、L3、L4和L5分别对应的尺寸为100mm、40mm、80mm、30mm和20mm；所述的压电悬臂梁的厚度(d1)为0.3mm。

采用本申请上述的结构进行测试，具体的方法如下：根据本申请的能量采集结构的要求进行CFD建模和实验，用于交叉验证能量采集结构的有效性以及几个参数对钝体后涡脱落特性的影响。本申请使用FLUENT进行模拟计算；在基本的二维CFD模型中，左壁(左侧)和右壁(右侧)分别设置为入口和出口，水被设置为流体介质；扰流柱的直径为20毫米、高为80毫米；六个绕流柱体结构的排列如图2所示；扰流柱的间隙比G定义为相邻圆柱之间的垂直中心距与水平中心距L的比值；

模型测试：模型中网格使用混合网格，具体参考附图3所示，其中包括自由流区域(即非扰流柱覆盖的区域)中的三角形网格和每个扰流柱周围的四边形网格(即扰流柱同圆心向外扩散的网格区域)；作为示例，本实施例是在每个扰流柱周围通过10层膨胀层进行细化，具体如图3所示；模拟使用的时间步长为0.001s，大约是涡流脱落周期的100倍；上述这种膨胀层的设置和时间步长的设置，便于后续的流体仿真更加真实，接近于实际模型，可以控制误差在1％以内。

压电能量收集压电悬臂梁如图4所示：L1、L2、L3、L4和L5的长度分别为100、40、80、30和20mm，厚度为0.3mm；此结构为一种T型铜压电悬臂梁，其末端附有压电贴片，用于将动能转换为电能。

上述结构具体的验证实施过程(三组扰流柱，扰流柱的规格为直径20毫米、高80毫米，悬臂梁距离最后一个圆柱体的距离为0.5cm)：实验工作台设计为开放式水循环装置，具体的如图5；本申请完整的能量采集机构包括流体槽1、水槽5，流体槽(一种敞口的管道式水槽)的一端为流体进口101另一端为流体出口102，其中流体进口101与水槽5连接，水槽通过连接管6和水泵7实现水的输送，流体槽1的流体出口102与蓄水槽8承接(即从流体出口出来的水流入至蓄水槽中进行收集)，蓄水槽8中设置连接水管9，所述的连接水管9与水泵7相连通以驱动水体循环输送至水槽5内(然后再进入流体槽中)；所述的连接管6上设置有涡轮流量计10(用于测量水泵的流量，通过流量比流体槽的横截面积得到水流流速；且连接管上位于水泵和涡轮流量计之间设置有开关、用于控制管道内水的流动)；所述的流体槽1内设置扰流柱2(圆柱体)和压电悬臂梁3，所述的压电悬臂梁3上设置了压电贴片4(压电贴片会随压电悬臂梁振动发生应变，产生交变电压，通过与外部数据采集系统电连接实现数据的采集(数据采集系统用于采集压电片两端的输出开路电压新号，压电片两端引脚连接采集系统端子板卡，端子板卡连接安装于电脑内部的采集卡)，所述的压电贴片4与数据采集系统11(具体的可以采用电脑等能够实现数据采集的设备)电连接；实验用水箱即水槽5中加入适量水，当水泵7开始运行时，水将开始循环；水通过水泵和连接水管和连接管从蓄水槽流到水槽然后再进入流体槽；最终在开放的流体槽中创造一个稳定的流体环境；压电贴片的电压输出信号通过数据采集系统(电脑)收集，而水体的流量大小则从流量计(涡轮流量计)获得，其中0.325m/s是本申请实施例中使用的最大速度；上述过程可以验证系统的流体-结构相互作用特性，为系统提供稳定的流体环境具有重要意义。

结果与讨论

从数据采集系统获得的电压输出信号如图6所示，多绕流体结构系统最大电压输出为8.7V，比使用双绕流体结构(此处双绕流体结构作为对比例，其他条件与上述本申请能量采集结构的实施方式相同，不同之处在于该对比例仅仅采用两个扰流柱)获得的电压高约45％；

此外，图7中描述的模拟结果表明，具有不同间隙比的扰流柱阵列会产生涡流；涡流脱落发生在尾流，一旦流过第一组扰流柱，涡流将撞击第二组扰流柱并相互碰撞形成更大的涡流；由于涡流的叠加，前两组扰流柱脱落的涡也会撞击最后一个扰流柱，形成幅度更大、强度更大的涡，从而有效的加强了能量的产生。

结果发现电压输出会随着流速的增加而增加，并随着间隙比的变化而略有变化，如图8和图9所示。当间隙比等于3时，电压输出会达到最大值。如图可以看出，G＝3时扰流柱的涡流脱落幅度如图7所示，交叉验证了实验结果。

结论：本申请的上述实施方式涉及的的数值和实验，研究了流体诱导多绕流体配置压电能量收集结构在不同流速和间隙比下的响应和特性。电压输出随着流速的增加而增加，当间隙比等于3时达到最大值。最大电压输出可达8.7V，比使用双扰流柱配置的电压输出高45％左右。此外，本申请的上述结构还有利于进一步研究多个参数对功率输出的影响，为涡流发电提供研究基础；本申请的能量收集结构，通过实际的实验台进行测试并通CFD建模和实验以及使用FLUENT进行模拟计算，实现了交叉验证的效果，结果显示本申请的这种多绕流体结构能够有效的提高能量输出效率，相较于传统单一流体具有更高的能量收集效果，为多绕流体能量收集结构的研究提供基础。