基于共振声学放大原理的涡激振动自发电装置设计与试验

为实现从自然环境中自动获取清洁能源,并给无线传感器和通讯模块供电,基于涡激振动及共振声学放大原理,设计了一种压电自发电装置。首先对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析;其次基于计算流体力学数值方法,对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析,以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。利用有限元软件ANSYS对压电悬臂梁复合结构的横向往复振动进行数值模拟,确定了复合结构的横向振动频率随板长L的变化规律。最后对位于该装置两侧的亥姆霍兹共振器的结构尺寸进行优化设计,以使流场的脱涡频率、压电悬臂梁复合结构的一阶横向振动频率和共振器的谐振频率达到一致,从而使压电发电装置产生共振并输出最大的电能。试验结果表明,涡激振动自发电装置在5 m/s的风速下可产生两相峰峰值为6.0 V的开路电压,且上述3个频率达到一致。4~6.25 m/s为该自发电装置的自锁风速区间,在此风速范围内,自发电装置均能产生较大的电压。     

非线性双端固支梯形梁压电俘能器结构设计与特性分析

设计了一种非线性双端固支梯形梁压电俘能器,用于收集环境中的振动能量,并将振动能转换为电能,为微小型电子元器件供能。自然环境中振动源的振动频率大多在100 Hz以下,该俘能器采用引入非接触磁力的方法,降低其谐振频率、拓宽俘能频带并提高输出性能。在理论分析的基础上,建立了Matlab/Simulink仿真模型并进行试验测试,对比分析了线性及非线性双端固支梯形梁压电俘能器的谐振频率、带宽及输出性能,同时研究了输出性能在3个参数(固定磁铁与质量块磁铁间距d、外接负载电阻R、外界激励加速度a)变化时的响应。仿真与试验结果表明,引入的非接触磁力使压电俘能器谐振频率降低了9 Hz,俘能带宽拓宽了20%,输出功率提高了7. 5%。     

动态气体载荷下磁力辅助式压电俘能器设计与实验

为了实现气动系统低功耗传感器的自供能需求,提出了一种新型磁力辅助式压电俘能器,以此提高俘能器俘获动态气体载荷能的效率。将磁铁间的非接触力作为磁力诱导的预应力施加在压电片中心,当动态气体载荷作用在压电片上时,磁力诱导的预应力可以通过改变压电片的位移来调节压电片表面正负电荷的分布,进而提高俘能器的机电转化效率。仿真研究表明,斥力诱导的预应力可增加俘能器的输出电压,而吸引力诱导的预应力则降低了俘能器的输出电压。采用外径22 mm、厚度0.23 mm的压电单晶片及缸径63 mm、行程150 mm的气缸制作实验样机,利用气动组件搭建测试系统。分别调节压力、周期、流量以及磁力等参数进行实验测试。实验结果表明,当俘能器的最佳匹配负载为0.87 MΩ时,最大的瞬时功率为1.39 m W,俘能器的最大瞬时功率提升12.6%,而引入磁力诱导的预应力仅为气体载荷的0.6%,磁力诱导预应力可有效提高俘能器俘获气动系统动态气体载荷能的效率。     

雷诺数对不同绕流方式下涡旋脱落规律的影响

为了探究不同雷诺数下,圆柱和方柱绕流涡旋脱落的差异,采用ANSYS-FLUENT软件,模拟了不同雷诺数下圆柱和方柱的绕流情况,通过对比分析不同位置流体介质的速度、压力以及湍流粘度的变化,研究了不同工况下的流场结构、涡脱落模态的关系。研究表明:当绕流方式一致时,随着Re的增加,物体上脱落的涡旋从产生到周期性振荡脱落,最后到随机性脱落泻入尾流形成卡门涡街。圆柱绕流中圆柱前方高压区面积随Re增加呈现先增加后减少的趋势,但方柱绕流中方柱前方高压区面积几乎不随Re发生改变;而当Re相同时,方柱绕流最大速度始终大于圆柱绕流,且方柱绕流较圆柱绕流的流动更加不稳定。     

圆柱绕流滴灌灌水器构建及其水流特性的数值分析

为了进一步了解圆柱绕流灌水器内部流动机理和外部水力性能,应用FLUENT软件对其内部流动及水力性能进行数值分析,发现水流在流道单元内存在明显的主流区和涡漩区,主流区水流紊动强烈.对150个流道单元的数值计算结果显示,每个流道单元的压降为630 Pa,流道的流态指数为0.527,100 kPa工作压力时的流量为1.76L/h.初步研究结果表明,圆柱绕流流道过流断面大,水流紊动强烈,消能效果良好,抗堵塞性能强,具备构建性能良好的滴灌灌水器的条件.     

一种新型共振式气体压电泵

针对膜片式压电泵气体驱动能力不足,被输送气体流动受阻时压电振子易发热受损,以及叠堆式共振压电泵造价高昂等问题,提出了一种以圆环状压电双晶片为动力源,通过位移放大机构驱动的新型共振式气体压电泵.对新型共振式气体压电泵的工作原理及其位移放大原理进行了分析,建立了该泵的振动力学模型.分析结果表明,该泵位移放大效果与压电双晶片提供的驱动位移有关,系统放大倍数与弹簧片和压电振子的刚度、系统的黏性阻尼因子及激励频率有关.设计并制作了新型共振式气体压电泵的试验样机,使用阻抗分析及激光测量方法测试了其位移放大效果,并验证了气体输出性能.试验表明,在70 V的正弦交流电压驱动下,该泵通过共振方式可将输出端位移放大至压电振子位移的4.2倍以上,气体输出流量可达1 685 mL/min.在气体流动受阻的情况下,该泵连续工作2 000 h无明显温升.     

充液压电液阻俘能器理论分析与实验

为了提高微小智能元件的隔振、减振和发电能力,设计了一种充液压电液阻俘能器,其利用薄板变形的叠加理论建立了集中载荷作用下圆形压电振子位移曲线及发电能力的计算模型。研究结果表明,俘能器的输出电压与激振电压成正比,另外在频率固定的情况下,俘能器的输出电压随系统背压的增加,发电电压先增加后减小,存在最佳背压使电压达到最大,而且最佳背压还受频率影响。建立了机电等效模型,通过改变电路阻抗进行等效分析,得到的结果与理论仿真结果一致,说明所建立的电路模型能够真实反映理论模型的特性。     

有限深度均匀水流中圆柱阻力测试研究

为解决工程实际与圆柱桩基码头与桥墩的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及圆柱桩基的物理模型试验和数值模拟计算等工作,在归纳总结已有的研究成果的基础上,通过先进的测力设备对有限深度均匀水流中圆柱绕流进行了阻力测试研究,进一步完善和发展了有限深度均匀水流中圆柱绕流阻力特性规律。     

惯性式压电振动送料器

采用压电双晶片振子,设计了一种惯性式压电振动送料器,分析了惯性式压电振动送料器的工作原理,建立了压电振子动力学模型,利用Matlab软件分析了振子长度和质量对冲击力与变形量的影响。对料盘中的物料进行了受力分析。制作了送料器样机,并对样机进行试验测试,得到了电压、振幅、频率与送料速度之间的关系曲线,结果表明该送料器在共振条件下具有良好的工作性能,随着电压的增加,振幅与送料速度呈线性增加。相比悬臂梁式压电振动送料器,该送料器具有更大的驱动能力和更小的空间结构。     

有压平直管道内交汇柱系下游流场特性分析

为研究管道车作为一种交汇圆柱系式的钝体结构在有压管道流场绕流时,在柱系下游产生的流动分离和尾迹涡现象,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对柱系下游的流场特性进行了研究.数值模拟采用了LES-WALE湍流模型,其结果与物理试验结果比较证明了数值模拟的可行性.对数值模拟结果进行理论分析:首先,由于流动分离柱系后流场中速度分布整体上分为低速流区与高速流区2部分,低速流区主要分布在断面中心位置,高速流区分布在断面外围,呈近似环状分布;其次,流场沿程速度幅值方面,从交汇柱系下游近端断面到远端断面,其中部分低速流区域的整体速度幅值愈高,周围高速流区的速度幅值愈低,并且两区域流场随距交汇柱系距离的增加呈现趋同变化;最后,关于流场的压强特性方面,沿程压强整体呈下降趋势,断面Z6仅与同流量时管道流场断面平均压强相差3.4%.     

荞麦洁净式脱粒装置设计与仿真

针对传统荞麦脱粒装置——纹杆闭式切流脱粒滚筒装置脱粒过程中籽粒残留和杂质含量高的问题,开展了洁净系统设计研究。该系统包括2个风速入口,每个风速入口由与纹杆脱粒滚筒方向相同的长820 mm、直径27 mm的小型管道构成,每根小型管道上方开有直径12 mm、间隔6 mm的圆孔,用来清理脱粒装置中的残留籽粒。采用ANSYS Fluid Flow（Fluent）流体动力学仿真技术对纹杆闭式切流脱粒装置风场进行模拟仿真。结果表明,当2个入口同时工作并采用12和15 m/s的风速时,清选风速约等于荞麦籽粒的漂浮速度临界值,在此状况下增大风速入口面积,脱粒滚筒和栅格凹板之间的流场速度为3.8～8.3 m/s,大于荞麦籽粒的漂浮速度,栅格凹板下方的流场速度为7～15 m/s,且流场内负压减少,是最佳方案。      

单振子气体压电泵研究

对单振子压电驱动微型气泵进行了结构设计,并对其主要构件单向阀进行了动力学建模与仿真分析,在此基础上制作了微型气泵样机,并进行了测试实验。设计的单振子压电气泵以中间开孔的压电双晶片为动力源,利用粘结在压电片孔上的单向阀来截止流体。泵的进、出口在压电片的两侧,以压电振子的振动动能直接驱动单向阀产生与泵腔容积变化相应的打开/关闭动作,与传统的进、出口在同侧、仅依靠单向阀两侧的压差驱动单向阀工作的压电气泵相比流阻小,且具有很好的单向截止性,并提高了气体输出流量和单向截止阀响应频率。实验证明当驱动电压为40 V、频率为1 000 Hz时,输出流量可达到720 mL/min。     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

转速对水泵水轮机压水调相运行水环流动的影响

为了研究水泵水轮机在调相工况下转速对水环流动的影响,应用ANSYS CFX软件对某中比转数水泵水轮机在调相工况下的水环流动特性进行全流道非定常数值计算,分析水泵水轮机在不同转速下(n=600,800,1 000,1 050 r/min)水环的压力脉动特性和流动特性.研究结果表明:无叶区水环的厚度与转速密切相关,转速越大,水环内自由液面的平均半径越大,水环厚度越薄;不同转速下无叶区内的压力脉动频率组成成分相同,主频均为由动静干涉作用引起的7f_n,且随着转速的增大主频的幅值增大,水环的流动速度增大;在相同转速下,无叶区周向压力脉动强度变化不明显,但在无叶区径向,越靠近转轮处压力脉动越小;转轮出口处有明显的气液分界面,整个转轮流道内充满气体,这表明水环对气体密封的效果良好.研究结果可为水泵水轮机调相工况运行提供一定参考.     

水泵进水池底部压力脉动特性试验

为了研究泵站进水池中喇叭管下方漩涡产生的机理,探索进水池底部喇叭管下方水流压力脉动与漩涡产生的关系,在进水池底部喇叭管口下方布置20个压力脉动监测点,在转速2 200 r/min时进行了多个不同工况点的压力脉动试验。通过对水流压力脉动的时域特性、频域特性及进水池底部喇叭管下方的压力分布进行分析,揭示了轴流泵喇叭管下方水流压力脉动的规律及压力分布与漩涡之间的关系。进水池底部压力脉动的主频是叶轮转频的2倍,说明轴流泵进水池底部喇叭管下方水流的压力脉动仍然受到叶轮旋转的影响;大流量工况下,喇叭管下方容易产生漩涡,且发生频率高,持续时间长,主要集中在喇叭管下方右前方的位置;小流量工况下,喇叭管下方也能产生漩涡,但发生频率低,持续时间短,主要集中在喇叭管内部正前方的位置。在不同工况下发生漩涡的位置与进水池底部喇叭管下方低压区位置相对应。     

双流道泵内压力脉动的CFD计算及测试

基于计算流体动力学软件Fluent,应用滑移网格技术,对一比转速为99的双流道泵在设计工况下的内部流场进行非定常计算,得到不同时刻叶轮和蜗壳内监测点的压力脉动规律.计算结果表明叶轮流道内不同位置处点的压力波动在一个周期内呈现周期性变化规律,同时从进口到出口逐渐升高,压力出现波峰和波谷的时间间隔大致相同.蜗壳流道内,离隔舌位置越近,压力波动越大,蜗壳出口的压力波动呈周期性变化规律,关于基圆中心对称的两个点的压力波动规律非常相似.利用虚拟仪器技术和水下压力传感器测量了蜗壳出口处的压力脉动,对比结果表明数值计算结果与试验压力结果基本一致,满足压力脉动预测的要求.     

轴流泵装置反向发电的水力特性

为探究某泵站轴流泵装置反向发电的水力特性,对该轴流泵装置反向发电工况进行全流道数值模拟分析.结果表明:轴流泵装置在额定转速进行反向发电时,其最优工况相比于水泵模式,水头和流量分别提高43％和38％;随着转速增大,效率-流量曲线呈现向大流量方向偏移趋势,高效区范围逐渐增大;导叶进口、转轮进出口压力脉动呈周期性,转轮进出口...     

轴流泵装置出水流道内流脉动与流动噪声试验分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道内流脉动及流动噪声的变化规律,采用在出水流道布置压力传感器和水听器的试验方法研究分析了轴流泵装置不同转速、不同流量时出水流道的内流脉动及流动噪声的时频特性。结果表明:相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根均随转速的增加而增加。相同转速时,各监测点的脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小,不同流量比时各监测点的脉动主频存在差异性;不同转速相同流量比时同一监测点的脉动主频存在差异性;不同转速不同流量比时各监测点的脉动主频以51 Hz为主,脉动主频和脉动次主频均未与转频呈整倍数关系,脉动主频和次主频均在200 Hz范围内。相同流量比时出水流道内部流动噪声的声压级随转速的增加而增加,转速对最优工况时出水流道流动噪声的声压级影响较明显。相同转速时,出水流道内部的流动噪声随流量的增加呈先减小后增大的趋势。根据出水流道内流脉动幅值分析,应尽量避免低扬程泵装置在小流量工况运行。     

混流泵内流场压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性.取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征.结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加.