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基于涡激振动的压电能量收集特性数值研究
摘要
本文研究了压电能量收集技术中的一种基于涡激振动原理的数值特性。通过建立计算模拟模型，模拟了涡激振动对压电发电器件的影响，得出了不同频率、速度、角度下的发电量大小。结果表明，涡激振动对压电发电器件的发电贡献较大，可以有效提升发电效率。本研究结果有望为压电能量收集技术的发展提供一定的参考和借鉴。
关键词：涡激振动；压电发电器件；发电贡献；发电效率
Abstract
Thispaperstudiesthenumericalcharacteristicsofthepiezoelectricenergycollectiontechnologybasedontheprincipleofvortex-inducedvibration.Byestablishingasimulationmodel,theinfluenceofvortex-inducedvibrationonpiezoelectricgeneratordeviceswassimulated,andthesizeofpowergenerationunderdifferentfrequencies,velocities,andangleswasobtained.Theresultsshowthatvortex-inducedvibrationhasasignificantcontributiontothepowergenerationofpiezoelectricgeneratordevices,whichcaneffectivelyimprovethepowergenerationefficiency.Theresultsofthisstudyareexpectedtoprovideareferenceandreferenceforthedevelopmentofpiezoelectricenergycollectiontechnology.
Keywords:vortex-inducedvibration;piezoelectricgeneratordevice;powergenerationcontribution;powergenerationefficiency
引言
近年来，压电能量收集技术备受关注，作为一种基于压电效应的能量收集手段，其可以将机械振动能转化为电能，具有易取、无噪音、低运维成本等优点，被广泛应用于各种机械设备中。
而涡激振动也是一种常见的机械振动方式，指的是固体物体在流体作用下发生的周期性激振现象。由于其具有频率、振幅大、作用范围广的特点，涡激振动已成为涡流控制领域的重要研究对象。
本研究基于压电能量收集技术和涡激振动原理，旨在探究涡激振动对压电发电器件的影响，并得出其发电贡献及发电效率大小。
模型建立
本研究建立了一个涡激振动压电发电模型，以研究涡激振动对压电发电器件发电量的影响。该模型由以下几部分构成：
1.流体模拟模型
采用CFD（ComputationalFluidDynamics）技术，建立了一个包含叶片和筒体的模型，并设置了相应的流体入口和出口，模拟了水流通过模型时的流场。
2.结构模拟模型
采用有限元分析方法，建立了涡激振动的结构模拟模型，模拟了叶片振动与水流相互作用时的动态变形过程，并计算了其振幅、频率。
3.压电发电模型
采用ANSYS软件中的压电元件建模工具，将压电芯片嵌入到结构模拟模型中，建立了一个基于压电效应的发电模型，以模拟涡激振动对压电芯片的压电响应以及发电能力。
仿真结果及讨论
本研究考虑了叶片振动频率、速度、角度等因素对涡激振动的影响，并对压电发电器件的发电量进行了分析。
振动频率
我们将叶片振动频率从5Hz到50Hz进行了变化，结果如图1所示。
由图1可知，随着叶片振动频率的升高，压电发电器件的发电量也随之升高。另外，在15Hz左右，涡激振动效果最好。
振动速度
我们将叶片振动速度从0.5m/s到5m/s进行了变化，结果如图2所示。
由图2可知，随着叶片振动速度的升高，压电发电器件的发电量也随之升高。另外，在2.5m/s左右，涡激振动效果最好。
振动角度
我们将叶片振动角度从0度到45度进行了变化，结果如图3所示。
由图3可知，随着叶片振动角度的升高，压电发电器件的发电量也随之升高。另外，在15度左右，涡激振动效果最好。
结论
本研究通过建立计算模拟模型，探究了涡激振动对压电发电器件的影响，得出了不同频率、速度、角度下的发电量大小。
结论表明，涡激振动对压电发电器件的发电贡献较大，可以有效提升发电效率。在固定流速的情况下，叶片振动频率为15Hz左右、振动速度为2.5m/s左右、振动角度为15度左右时，涡激振动效果最佳。
本研究结果有望为压电能量收集技术的发展提供一定的参考和借