基于流激振荡现象的流体动能收集技术研究_钱成.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 7 基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(L Q 1 9 E 0 6 0 0 0 5);国家重点研发计划(2 0 1 8 Y F F 0 2 1 6 0 0 1);浙江省属高校基本科研业务费专项(2 0 2 1 YW 5 0)作者简介:钱成(1 9 9 8-),男,江苏省宜兴市人,硕士生,主要从事流量计量技术的研究。通信作者:徐雅(1 9 8 7-),女,陕西省汉中市人,讲师,博士,主要从事流量计量方面的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 5 1-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 1基于流激振荡现象的流体动能收集技术研究钱 成,徐 雅,谢代梁,刘铁军,黄震威(中国计量大学 浙江省流量计量技术重点实验室,浙江 杭州3 1 0 0 1 8)摘 要:针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题,该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究,结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究,分析了空腔结构中的流场及声场分布特性,探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用C OM S O L软件对声电转换过程进行仿真,实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明,在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间,可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压,当气体流速为3 0.5m/s时(相当于高压输气管道的流速范围),声场压力振幅可达6.1 2k P a,对应的输出开路电压为2.6 2V。当外接1 5k 电阻时,最高输出功率可达0.2 9mW。关键词:流激振荡;大涡模拟;压电换能器;谐振;流体动能中图分类号:T B 5 3 5;TN 3 8 4 文献标志码:A R e s e a r c ho nF l u i dK i n e t i cE n e r g yH a r v e s t i n gT e c h n o l o g yB a s e do nF l o w-I n d u c e dO s c i l l a t i o nQ I A NC h e n g,X UY a,X I ED a i l i a n g,L I UT i e j u n,H U A N GZ h e n g w e i(Z h e j i a n gK e yL a b o r a t o r yo fF l o w M e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y,C h i n aJ i l i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oa d d r e s s t h ep r o b l e mt h a t i t i sd i f f i c u l t t om a i n t a i nt h ep o w e r s u p p l yo f l o w-p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn o d e s i nr e m o t ea r e a s a n ds p e c i a l s c e n a r i o s,t h i sw o r k i n v e s t i g a t e sa f l u i dk i n e t i c e n e r g yh a r v e s t i n g t e c h n o l o-g yb a s e do nf l o w-i n d u c e do s c i l l a t i o np h e n o m e n o n,w h i c hc a nr e a l i z e t h e c o n v e r s i o np r o c e s s f r o mf l u i dk i n e t i ce n e r g yt oe l e c t r i ce n e r g yb yc o m b i n i n gw i t hp i e z o e l e c t r i ct e c h n o l o g y.T h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e-s e a r c ho nt h ep h e n o m e n o no f f l o w-i n d u c e do s c i l l a t i o n,t h ef l o wf i e l da n ds o u n df i e l dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h e c a v i t ys t r u c t u r e a r e a n a l y z e d,a n d t h e i n f l u e n c eo f f l u i dv e l o c i t yo nt h e f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo f a c o u s t i co s c i l-l a t i o n i se x p l o r e d.T h ea c o u s t i c-e l e c t r i cc o n v e r s i o np r o c e s si ss i m u l a t e db yC OM S O Ls o f t w a r e,a n dt h ec o m p l e t ec o n v e r s i o np r o c e s s o f f l u i dk i n e t i c e n e r g y t oe l e c t r i c e n e r g y i s r e a l i z e d.T h e r e s e a r c hr e s u l t s s h o wt h a t t h e r e e x i s t s a na c o u s t i co s c i l l a t i o nr a n g ew i t hs t a b l ef r e q u e n c yu n d e rc e r t a i ns p e e dc o n d i t i o n s,w h i c hc a nd r i v et h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r t oo u t p u t av o l t a g ew i t hs t a b l ef r e q u e n c y.Wh e nt h eg a sf l o wr a t e i s3 0.5m/s(e q u i v a l e n t t ot h ef l o wr a t e r a n g e o f h i g h-p r e s s u r eg a s t r a n s m i s s i o np i p e l i n e),t h e a m p l i t u d eo f t h e s o u n d f i e l dp r e s s u r e c a nr e a c h6.1 2k P a,c o r r e s p o n d i n gt oa no u t p u to p e nc i r c u i t v o l t a g eo f 2.6 2V.Wh e na ne x t e r n a l 1 5k r e s i s t o r i s c o n n e c t e d,t h em a x i-m u mo u t p u tp o w e r i su pt o0.2 9mW.K e yw o r d s:f l o w-i n d u c e do s c i l l a t i o n;l a r g e e d d ys i m u l a t i o n(L E S);p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r;r e s o n a n c e;f l u i dk i-n e t i ce n e r g y 0 引言无线传感器网络技术是当今社会信息化发展的关键技术,随着无线传感网络规模和功能逐渐扩大,传感节点的设置区域更加复杂多变,传统的供电方式严重限制了无 线传感器网 络 技 术 的 发 展 和 应用1。因此,将环境中的风能2-3、太阳能4、振动能5等转换为电能为无线传感网络节点进行无源供电成为目前研究的热点。在自然环境中,流体动能广泛存在且资源丰富,具有广阔的应用前景。贺学锋等6设计了一个由风能采集器供电的无线风速传感器,当风速在8.51 2.1m/s时,自供能无线风速传感器可正常工作。S h a n等7设计了一种风诱导颤振的能量采集器,该装置 采 用 曲 面 采 集 器,实 验 研 究 得 出 当 风 速 在2 5m/s时,其 输 出 功 率 密 度 可 达3.2W/c m3。E w e r e等8对弛振型压电能量收集装置进行实验研究,实验测得风速在1 0.5m/s时,可输出最大功率为1.7 5mW。P.Z h e n g等9提出了一种电磁压电混合的隧道风能采集系统,该系统利用隧道风驱动风轮转动,风轮通过连轴带动凸轮上的凸起激励压电悬臂梁振动发电,在7m/s的风速下,压电模块输出功率为6.5mW。以上研究中的发电装置由于存在机械运动部件,导致装置可靠性较低,且对能量收集的研究主要以实验验证为主,缺乏对发电机理的研究,这在一定程度上限制了该研究的深化。本文基于简单管道空腔结构产生的流激振荡现象,结合压电换能器实现了流体能量的收集。从理论上分析了能量采集系统的工作原理,采用数值模拟及实验研究了该装置的流场和声场分布特性。利用C OM S O L软件对压电输出特性进行仿真模拟,在完全无运动部件的情况下实现了风能到电能的完整转换过程。1 工作原理基于流激振荡现象的能量收集原理如图1所示。图中,L,W分别为谐振腔腔体深度和直径;为剪切层厚度。图1 基于流激振荡的能量收集原理由图1可见,当一定速度的气体流经谐振腔开口处,流体与环境压力存在的静压差驱动管道内气体向谐振腔内流动,谐振腔末端的封闭使腔内的滞止气体像一个“气体弹簧”,在自身“弹性”与静压差作用下,管道壁面的不稳定粘性边界层卷起涡结构诱导声振荡。当临界流速卷起的声涡频率接近本征共振频率时,气体在流、涡、滞止气体三者共同作用下使谐振腔中形成一个频率和振幅稳定的驻波声场,驱动压电换能器受力变形,输出电能。2 仿真分析2.1 流激振荡仿真现以谐振腔腔体L=2 4 2mm,W=3 2mm的共轴布置的十字交叉型结构为例,对流体动能转换为声场振荡的过程进行模拟计算。由于空腔流激振荡工作机理与腔体开口处旋涡的形成和脱落密切相关,故选用大涡模拟(L E S)的数值方法对低马赫数下腔内流声转换模块进行数值模拟。壁面采用无滑移边界条件,入口边界条件为D i r i c h l e t边界,气流进出口均采用压力边界条件,入口压力值设定在1 0 026 5 0P a。仿真中采用有限体积法对控制方程进行离散,动量方程采用有界中心差分法,密度和能量方程均采用一阶迎