海浪型仿生表面能量采集器

1.本发明属于振动能量采集器相关技术领域，具体地说，本发明涉及一种海浪型仿生表面能量采集器。


背景技术：

2.流体流经结构时会产生周期性激振力并诱发结构产生振动，被称为流致振动(flow-induced vibration，fiv)。流致振动俘能技术可以采集环境中的流体动能，在土木工程、风能工程和海洋工程等领域获得了广泛关注。从环境中收集流体动能并将其进一步转化为机械能和电能可以为自供能技术提供有利支持。因此探索流致振动能量俘获机理，设计并优化流致振动俘能系统，具有重要学术价值和工程实际意义。
3.振动能常见于流体动能，主要包括风能、水能和机械振动，其中风能和水能常用于流致振动能量收集。流致振动(fiv)能量收集技术在无线传感器网络、微型机电系统等领域已得到广泛认可，风能是一种清洁能源，覆盖面广。
4.流致振动能量收集有很多方式，人们开发了多种能量收集系统，如电磁、摩擦电和压电结构来收集浪费的环境能量。其中，压电储能器因其体积小、结构简单、功率密度高等优点，得到了众多学者的广泛研究。压电式能量收集器是基于直接的压电效应产生电能大多数压电能量收集器是由带有一个或两个压电陶瓷层的悬臂梁组成的，其能量性能与其形状、厚度和位置有关。
5.近几年来，仿生学理论应用于流致振动能量收集技术是一项热点话题，是未来的发展趋势，但是在实际中，自然环境通常以较低流速为主，较低流速的振动通常指涡激振动和驰振，涡激振动是由流体流经结构表面时产生的旋涡脱落引起的周期性结构振动。但是现有的钝体结构设计应用于流致振动能量收集存在诸多问题，在较低流速无法很好的提高能量收集效率。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种海浪型仿生表面能量采集器，目的是提高能量收集效率。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：海浪型仿生表面能量采集器，包括圆柱形的钝体，钝体的表面呈现出不规则波浪状结构。
8.所述的海浪型仿生表面能量采集器还包括与所述钝体连接的悬臂梁，悬臂梁的两侧设置压电陶瓷片。
9.所述钝体上设置凸台，所述悬臂梁与凸台连接。
10.所述凸台设置两个，所述悬臂梁插入两个凸台之间且与两个凸台固定连接。
11.所述悬臂梁的长度方向与所述钝体的轴线相垂直。
12.所述的海浪型仿生表面能量采集器还包括与所述悬臂梁连接的夹片和与夹片连接的夹具，悬臂梁插入夹片和夹具之间。
13.所述悬臂梁的两端分别通过螺栓与所述凸台和所述夹片连接，夹片通过螺栓与所述夹具连接。
14.本发明的海浪型仿生表面能量采集器，具有以下有益效果：
15.1.利用仿生学概念，将自然界海浪起伏不定表面引入到钝体结构设计当中，使得对于自然界普遍存在的流体动能(尤其是低流速下)转换为电能效率大幅度提高，可以为微小电子产品持续自主供能。
16.2.本发明可以根据实际需求来调节参数，包括表面间隔大小、表面厚度、表面密集程度。能够权衡加工难度，成本费用以及适用不同的流速范围下的环境进行参数优化和调整，用来适应实际生产的需要。
17.3.本发明对比现有的光滑表面圆柱体钝体，引入了海浪型仿生表面，呈现出不规则的表面，在自然环境低流速下都有更好的俘能效率，能够很好的适应环境中流速变化，适应性、实用性强。
附图说明
18.本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
19.图1为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构整体示意图；
20.图2为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(上视图)；
21.图3为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(前视图)；
22.图4为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(右视图)；
23.图5为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(后视图)；
24.图6为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(左视图)；
25.图7为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(下视图)；
26.图8为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(等轴测视图)；
27.图9为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(左右二等角轴测视图)；
28.图10为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(上下二等角轴测视图)；
29.图11为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构的工程图(正视图)；
30.图12为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器优化后整体结构图；
31.图13为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器的圆柱体钝体含凸台结构示意图；
32.图14为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器悬臂梁结构示意图；
33.图15为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器夹片结构示意图；
34.图16为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器夹具结构示意图；
35.图17为本发明的海浪ⅰ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件瞬态研究当中产生卡门涡街仿真图；
36.图18为本发明的海浪ⅱ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件瞬态研究当中产生卡门涡街及速度大小仿真图；
37.图19为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件瞬态研究当中产生卡门涡街仿真图；
38.图20为本发明的海浪ⅰ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的速度大小曲线图；
39.图21为本发明的海浪ⅱ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的速度大小曲线图；
40.图22为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的速度大小曲线图；
41.图23为本发明的海浪ⅰ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的升力及反力曲线图；
42.图24为本发明的海浪ⅱ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的升力及反力曲线图；
43.图25为本发明的海浪ⅲ型仿生表面能量采集器钝体结构在comsol仿真软件当中在探针点坐标为(0.6，0.2)下的升力及反力曲线图；
44.图中标记为：
45.1、钝体；2、凸台；3、悬臂梁；4、夹片；5、夹具。
具体实施方式
46.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
47.如图1所示，本发明提供了一种海浪型仿生表面压电能量采集器，可以用于低风速下的振动能量采集，将环境中的流体动能进一步转换为机械能和动能。该海浪型仿生表面能量采集器包括带有超表面结构的钝体、凸台、悬臂梁、夹具、夹片、三个长度为8mm的m4六角头螺栓、两个长度为6mm的m2六角头螺栓和两个厚度为3.2mm的m4 1型六角螺母组成。
48.本发明中，采用压电式俘能装置，压电式俘能装置所俘获的电能可以与微机电系统实现较好的融合，同时具备体积小、结构简单、对工作环境要求低、无热效应、所采集的能量密度高、不受电磁波影响等优点。
49.本发明是一种海浪型仿生表面压电能量采集器基于流致振动理论将环境中的振动能量进行捕获，以用于低功耗用电器的能量供给。
50.本发明尤其对于低风速的振动能量俘获能力较强，而正常自然环境下的流体也以低速为主，符合实际的使用环境，大大提高能量俘获效率。
51.本发明中，圆柱型钝体表面呈现出不规则波浪状，与普通圆柱型钝体光滑表面相比具有更好的能量采集效果。
52.如图1至图13所示，钝体为圆柱体，根据海浪型仿生表面圆柱体钝体结构，通过改变海浪型起伏表面间隔大小、海浪表面厚度以及海浪型表面的密集程度来进而改变圆柱体钝体横截面型状。
53.本发明根据海浪型表面的密集程度分别为三种不同横截面的圆柱体钝体结构：海浪i型表面(圆形横截面)、海浪ⅱ型表面(半圆形凸出横截面)、海浪ⅲ型表面(类椭圆形凸出横截面)。
54.在上述任一技术方案中，本发明中的任一圆柱体钝体都可以在空气中产生卡门涡
街，为了方便进行定量性研究，设定所有的方案的矩形流场宽度w＝2.2m，矩形流场高度h＝0.41m，本发明旨在研究自然环境中低流速下的能量采集效果，设定所有方案流场速度u_mean＝1m/s，圆柱体钝体半径r＝0.05m，矩形流场法向流入速度满足以下公式：
55.6*u_lnean*y*(h-y)/h^2*step1(t[1/s])
[0056]
其中u_mean为结构中矩形流场速度，h为矩形流场高度，step1为所有方案设定的阶跃函数，初始条件设定为0.1。所述海浪型仿生表面流致振动能量采集器的圆柱体钝体结构表面可以根据实际环境进行调整和优化。
[0057]
实施例一
[0058]
在本发明海浪ⅲ型仿生表面振动能量采集器中，如图1所示，钝体利用仿生学理论，引入了海浪型仿生表面，表面整体呈现出周期性的不规则起伏表面在数值模型环境下，选择空气作为计算域介质，在293.15k温度下进行模拟。空气的动力粘度系数为17.9
×
10-6
pa
·
s，密度为1.293kg/m3低雷诺数采用层流模型，高雷诺数采用湍流模型，根据公式：
[0059][0060]
其中，re为雷诺数，ρ为流体的密度，单位为kg/m3；u为流体的流动速度，单位为m/s；l为特征尺寸，单位为m；μ为流体的动力粘度系数，单位为pa
·
s。本发明的数值模拟，预估雷诺数re《2000为层流状态，所以采用的是层流模型。流体动力粘度系数与局部温度有关，当温度t《2000k时，流体的动力粘度系数可以由有量纲sutherland公式表达：
[0061][0062]
式中μ0为1个大气压下、0℃时粘度系数；ts为sutherland常数，与气体性质有关；tc＝273.16k。
[0063]
当气体处于热力学平衡状态时，其压力、密度和温度会满足一定的关系。完全气体常用的状态方程是：
[0064]
p＝ρrt
[0065]
其中p为压强；ρ为流体密度；t为热力学温度；r为一般气体常数，气体的密度是：
[0066][0067]
实施例二
[0068]
在本实施例的海浪iii型仿生表面振动能量采集器中，基于流致振动海浪型仿生表面能量采集器中的圆柱体钝体表面采用的是海浪型起伏表面，本实施例中，钝体是由高度为50mm，半径为25mm的圆柱体作为主体部分，钝体的海浪型表面通过样条曲线构建而成，样条曲线高度为50mm，分别进行左右两侧等距实体操作，左侧等距实体离本体距离为1mm，右侧等距实体离本体为3mm，分别在本体和右侧等距实体进行等距取点操作，本体等距取点数为9，右侧等距实体取点数为5，通过样条曲线连接而成，使样条曲线穿透圆柱体钝体表面，从而形成海浪ⅲ型表面。同时本发明海浪型仿生表面适用于自然环境中低流速下的能量采集，适用广泛。
[0069]
实施例三
[0070]
本实施例提供的一种海浪型仿生表面压电能量采集器，其钝体为圆柱体，在数值模拟中，研究了流速为1m/s的圆柱体周围卡门涡街的形成，仿真结果分为两个时间序列组成，分别为0～3.4s和3.5～7s，在第一段时间序列时间步长为0.2s，在第二段时间序列时间步长为0.02s，在二维平面上选取坐标为(0.6，0.2)的点，观察涡街形成过程流场速度变化情况。仿真结果表明，卡门涡街起因是流体经过钝体时，流体从钝体两侧剥离，形成交替的涡流，钝体周围的流体会产生两种不同的特性的涡流，高速涡流在边界层外产生，小速度涡流在边界层内产生，两者交替脱落形成涡街。对于圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v有关，与圆柱体直径d成反比，卡门涡街频率公式为：
[0071][0072]
其中f为卡门涡街频率，sr为斯特劳哈尔数(一般为0.2)，v为流体速度，d为圆柱体直径。当钝体的固有频率与卡门涡街频率接近时，就会产生涡街振动现象。
[0073]
在此基础上，通过设置悬臂梁，在悬臂梁两侧贴上压电陶瓷片，基于压电效应，通过悬臂梁的共振扩大振幅，以带动悬臂梁上的压电材料产生形变，从而产生电能，再通过电路对能量进行收集存储，以供低功耗器件使用。
[0074]
实施例四
[0075]
本发明在实施过程中进行了最后的优化和处理，将原有的钝体进行了一定的空心处理，从中切除了半径为20mm的圆柱体和一段表面，更加有效地节约了成本，如图12所示。钝体的外圆面上设置容置槽，钝体为两端开口且内部中空的结构，容置槽与钝体的中心孔连通，容置槽为沿钝体的轴向从钝体的一端端面延伸至另一端端面。再被截断的表面外加了一个凸台，如图13所示，凸台插入钝体的容置槽中，凸台与钝体固定连接。凸台为高6mm、宽7.8mm的长方体，从凸台正中间挖去高度1.5mm，宽度7.8mm的矩形，从而形成两段凸台，以便夹住悬臂梁，再分别从两段凸台正上方挖去半径大小为2mm的圆柱体。
[0076]
本发明设计了一个长度为100mm，宽度为7.8mm的悬臂梁，如图14所示。
[0077]
本发明还设计了一种夹片，夹片的长度为40mm，夹片的宽度为25mm，厚度为2mm，如图15所示。
[0078]
本发明还设计一种夹具，夹具的长度为40mm，宽度为25mm，高度为15mm，如图16所示。
[0079]
将悬臂梁的长度方向上的一端通过m4六角头螺栓固定在两个凸台中间，悬臂梁水平放置，悬臂梁的另一端分别由两个m2六角头螺栓、两个m4六角头螺栓和两个m41型六角螺母固定在夹片和夹具之间。
[0080]
实施例五：
[0081]
本发明还提供了海浪i型表面(圆形横截面)、海浪ⅱ型表面(半圆形凸出横截面)、海浪ⅲ型表面(类椭圆形凸出横截面)，当流体流过一个物体时，它会在物体表面施加一个力。垂直于流动方向的分力称为升力，平行于流动方向的分力称为反力。在comsol软件当中，在组件耦合中使用边界探针或积分算子定义这种积分，通过选择物体上所有的边界来执行积分。本发明模型中的升力位于y轴方向，本发明模型中的反力位于x轴方向，我们输入下列表达式：
[0082]-intop1(spf.t_stressy)
[0083]-intop1(spf.t_stressx)
[0084]
其中intop1代表引入的积分。通过图23、图24、图25可以发现海浪ⅲ型表面俘能效果最好。当环境当中流体经过钝体时引起钝体发生振动，从而引起钝体附加的悬臂梁一起振动，进而带动悬臂梁上的压电陶瓷片产生形变，即压电效应，从而产生电能，再通过能量捕获接口电路将其进行存储，以用于微小型低功率电器的能量供给。
[0085]
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：包括圆柱形的钝体，钝体的表面呈现出不规则波浪状结构。2.根据权利要求1所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：还包括与所述钝体连接的悬臂梁，悬臂梁的两侧设置压电陶瓷片。3.根据权利要求2所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述钝体上设置凸台，所述悬臂梁与凸台连接。4.根据权利要求3所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述凸台设置两个，所述悬臂梁插入两个凸台之间且与两个凸台固定连接。5.根据权利要求2至4任一所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述悬臂梁的长度方向与所述钝体的轴线相垂直。6.根据权利要求2至4任一所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：还包括与所述悬臂梁连接的夹片和与夹片连接的夹具，悬臂梁插入夹片和夹具之间。7.根据权利要求6所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述悬臂梁的两端分别通过螺栓与所述凸台和所述夹片连接，夹片通过螺栓与所述夹具连接。8.根据权利要求6所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述悬臂梁的长度为100mm，宽度为7.8mm。9.根据权利要求6所述的海浪型仿生表面能量采集器，其特征在于：所述夹片的长度为40mm，夹片的宽度为25mm，厚度为2mm。

技术总结
本发明公开了一种海浪型仿生表面能量采集器，包括圆柱形的钝体，钝体的表面呈现出不规则波浪状结构。本发明的海浪型仿生表面能量采集器，利用仿生学概念，将自然界海浪起伏不定表面引入到钝体结构设计当中，使得对于自然界普遍存在的流体动能(尤其是低流速下)转换为电能效率大幅度提高，可以为微小电子产品持续自主供能。续自主供能。续自主供能。


技术研发人员：王海 袁义凯 杨春来 张子豪 孙航
受保护的技术使用者：安徽工程大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/13