风能论文提纲

论文题目：基于驰振的曲面风能采集器设计及特性分析

摘要：为了消除低功耗电子设备（如无线传感器网络）对化学电池的依赖,从环境中获取能源实现电子设备的自供能技术是一种有效方案。风能作为一种分布广,可持续的清洁能源,不同类型的小型风能采集器被设计,但现有风能采集器一般具有结构复杂,有效工作风速带窄,在低风速下启振风速高、输出电压和功率密度较小等缺点。悬臂梁式风能采集器因结构简单、频率低、易微型化且兼容性高被广泛运用。梁自由端的阻流体引起的风致振动的类型与振幅,直接决定了风能采集器的性能。相比于方形、正三角形和D形等传统截面阻流体,异形截面阻流体在风能采集领域的气动性能更佳,能量采集效率更高。为了解决已有的风能采集器存在的缺陷,本文提出了一种基于驰振现象的曲面阻流体,被用于提高悬臂梁式压电风能采集器的性能。曲面阻流体具有较大的设计灵活性和改善气动性能的可能性。流场仿真和流固耦合仿真研究表明,弧长L=45 mm的曲面阻流体在空气流场中的气动性能与风能采集的效果最佳,均优于其它弧长曲面阻流体和对照组中传统截面阻流体。建立了曲面风能采集器的集总参数的理论模型,并通过风洞试验进行了验证。制作了曲面风能采集器试验样机,风洞试验研究了外接负载电阻和弧长对电输出特性的影响,弧长L=45 mm的曲面风能采集器输出电压及功率最优,均高于对照组风能采集器输出电压和功率,并且其启振风速最低。在测试风速为5.5 m/s,外接负载电阻等于820 KΩ的情况下,弧长L=45 mm的曲面风能采集器输出的平均功率为35.6μW。为进步改善曲面风能采集器的性能,利用流场仿真和风洞试验的方法,研究了附加翼和附加端盖对曲面风能采集器气动性能和输出电压的影响。流场仿真结果表明,附加翼和附加端盖均能提高曲面阻流体的气动性能,使其获得更多的横向气动力,从而俘获更多的风能。风洞试验结果表明,附加翼增加了弧长在45 mm~65 mm范围内的曲面风能采集器的输出电压,电压随侧翼长的增加而增加;附加端盖增加了曲面风能采集器产生的电压,优化后弧长L≥55 mm的采集器输出电压增量高于弧长L＜55 mm的采集器输出的电压增量,电压增量在弧长L=60 mm时最大。此外,附加翼与附加端盖使曲面风能采集装置的启振风速由2 m/s降为1.5 m/s。

关键词：风能采集;驰振;压电;曲面

学科专业：工程硕士（机械工程领域）（专业学位）

摘要

abstract

第1章 引言

1.1 研究的背景及意义

1.2 传统截面阻流体能量采集器研究现状

1.2.1 圆形截面阻流体能量采集器研究现状

1.2.2 方形截面阻流体能量采集器研究现状

1.2.3 三角形截面阻流体能量采集器研究现状

1.2.4 D形截面阻流体能量采集器研究现状

1.2.5 阻流体的气动性能改造研究现状

1.3 异形截面阻流体能量采集器研究现状

1.4 研究目的和内容

第2章 风致振动压电式风能采集器基本理论

2.1 引言

2.2 压电理论

2.2.1 压电效应

2.2.2 压电材料类别及其发展

2.2.3 压电材料性能参数

2.2.4 压电材料工作模式

2.3 压电悬臂梁

2.3.1 压电悬臂梁材料选择

2.3.2 压电悬臂梁连接方式

2.3.3 压电悬臂梁等效电路

2.4 风致振动基本理论

2.4.1 风致振动的分类

2.4.2 驰振现象及驰振自激力模型

2.5 本章小结

第3章 曲面风能采集器数值仿真分析

3.1 引言

3.2 曲面风能采集器结构设计

3.3 曲面阻流体二维流场数值仿真分析

3.4 曲面风能采集器流固耦合仿真分析

3.5 曲面阻流体驰振稳定性数值分析

3.6 本章小结

第4章 曲面风能采集器动力学模型与试验研究

4.1 引言

4.2 曲面风能采集器的动力学模型

4.3 曲面风能采集器的试验研究

4.3.1 曲面风能采集器制作与测试系统介绍

4.3.2 曲面风能采集器的电压与负载电阻关系

4.3.3 弧长对曲面风能采集器电输出特性的影响

4.3.4 与传统阻流体风能采集器对比分析

4.4 本章小结

第5章 曲面风能采集器的气动性能改善

5.1 引言

5.2 曲面阻流体优化流场仿真分析

5.2.1 附加翼曲面阻流体流场分析

5.2.2 附加端盖曲面阻流体流场分析

5.3 曲面阻流体优化风洞试验分析

5.3.1 附加翼曲面阻风能采集器试验分析

5.3.2 附加端盖曲面阻风能采集器试验分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢