CN109799396B - 水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法，实验装置包括实验平台和实验所用的压电俘能装置。实验平台包括水槽支架、水槽、蜂窝器、阻尼网、泄水挡板、进水管和回水管等结构。水流从左往右依次流过进水区域，实验区域和泄水区域，可以通过进水阀门、回水阀门和泄水挡板调节水槽中水流流速，获得稳定的层流流场环境。压电俘能装置通过圆柱绕流体内嵌受激永磁铁引入非线性磁力，可以有效增大共振带宽即共振流速范围，能够在不同的流速范围内发生共振，满足实验的探究需要。本发明够有效模拟低流速稳定层流流场，准确调节流速，同时结合多种结构压电俘能装置，在不同流速下测得多种实验数据。

Description

水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水流中圆柱绕流体涡激振动的实验装置及其使用方法，特别涉及一种通过在圆柱绕流体中内嵌永磁铁，从而引入非线性磁力的压电俘能器涡激振动实验装置及其使用方法。

背景技术

随着经济社会的持续高速发展，对能源的需求与日俱增，而煤炭和石油等不可再生的能源日趋枯竭，寻求新能源以及利用再生能源是必不可少的。水能作为环境中的可再生能源，储量丰富。面对高速水流环境，可以建立水电站利用涡轮机将水流的动能转换为电能，但涡轮机对水流的流速有一定的要求(涡轮机在水流流速大于2m/s时才有较高的利用率)。而面对自然界广泛存在的低流速环境(世界各大洋的海洋洋流多以0.25m/s-0.53m/s存在，平原段的河流也多为低流速河流)，如何探索设计适合低流速环境下的能量装换装置也显得尤为重要。

涡激振动是一种自然界广泛存在的物理现象，其产生是由于流体流经钝体表面时，会在钝体的背流面形成交替泄放的漩涡，由于漩涡的泄放在物体表面产生不均匀的压强，进而物体受到流向和横向的脉动压力。此时如果物体的移动自由度大于零，则会在脉动压力的作用下诱发物体的周期性振动。

圆柱绕流体相比其他形状的绕流体，在较低流速环境下，其对水流的扰动更小，其涡激周期性脱落的效果更加明显，从而可以保证良好的振动俘能特性，适合在低流速环境下采集能量。

根据能量转化原理，目前存在三种方式可以将振动能量转换为电能，分别为电磁式、静电式和压电式。近年来有部分学者将压电俘能技术与涡激振动原理相结合，根据发生涡激振动时压电材料将会发生弯曲变形，设计了一些利用涡激振动的俘能装置，将水能转化为电能。

2004年pobering等人利用压电材料做成了适合低流速水流的压电发电旗子，利用涡激振动原理产生的卡门涡街，使得发电旗子产生弯曲后得到电能，此装置放在河流中，水流流过装置时便会产生电能，但能量转化效率较低。

2013年Mutsuda等人开发了一种采集海洋能源能量的俘能器，该俘能器采用柔性压电单元作为能量采集单元，在涡流能的激励下压电材料产生变形，进而产生电能。该装置由浮式单元和悬挂单元组成，漂浮在海面上可实现发电，但结构较为复杂。

(1)公开号为CN106357159A，标题为“一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器”的发明公开了一种利用风能的压电能量收集装置及方法，该发明利用横向流(风)流经圆柱绕流体且流速在某一范围时，圆柱体发生涡激振动，从而导致压电悬臂梁发生形变产生电能。该发明在圆柱绕流体两侧粘贴永磁铁，引入了非线性磁力，有望增大圆柱体的涡激振动幅值和共振流速范围。但该发明并未给出相关的实验装置和实验方法，并且压电俘能器的设计单一，不能适应多种流速环境，并且无法调节实验参数，只能适用于风洞试验。

涡激振动的机理非常复杂，而对于水流中压电俘能器的涡激振动机理，由于存在流固耦合的作用，理论建模计算变得更加复杂。漩涡脱落使绕流体发生振动，绕流体的振荡运动又会改变流体边界剪切层分离点的位置，从而导致泄放的漩涡发生改变，漩涡改变导致在物体表面的压强产生变化，进而改变物体的振荡运动。因此合理的掌握涡激振动下的俘能特性需要借助实验研究，实验研究应该确定水流流速以及压电俘能器的各项参数对俘能效果的影响，探究各流速下俘能器的各项最优参数，故需要设计一种针对水流涡激振动压电俘能的实验装置，该实验装置需实现水流流速的调节及压电俘能器的参数调节，提供稳定的层流流场环境，并且压电俘能器的结构实现多样化，能适应多种水流环境。

本申请与发明专利(1)的本质区别是：本发明针对引入非线性磁力的圆柱绕流体涡激振动压电俘能器设计了一种实验装置和实验方法，该实验装置适合于水流中能量的采集，能模拟稳定的层流流场环境，能够调节水流流速和压电俘能器的各项参数。并且设计了多种压电俘能器的结构，能适应多种水流流速环境。

本专利克服以上专利缺点，提出一种利用水流中的涡激振动原理，实现压电俘能的实验装置和实验方法。该实验装置能模拟稳定的层流流场环境，绕流体为圆柱绕流体，并且引入非线性磁力。该实验装置可以调节各项实验参数，从而探究各个流速下的最佳实验参数，此实验装置包含多种结构的压电俘能器，可以探究多种水流流速环境下不同结构压电俘能器的俘能特性。

发明内容

本发明的目的是提出一种涡激振动压电俘能器的实验装置和实验方法，该实验装置包含实验平台和三种压电俘能器结构。实验平台能模拟稳定的层流流场环境，保证实验科学准确性。三种压电俘能器结构，可以在多种低流速水流环境下获得不同实验数据。所述压电俘能器利用水流中圆柱绕流体的涡激振动响应，通过将永磁铁嵌入圆柱绕流体中，引入非线性磁力实现宽频带压电发电，并且可以调节水流流速和压电俘能器的各项实验参数，探究各流速下发电效果最优的实验参数。

本发明采用的技术方案是水流中涡激振动压电俘能器的实验装置。所述实验装置包括实验平台和实验所用的压电俘能装置。

所述实验平台包括水槽支架(1)，水槽支架(1)上固定放置水槽(2)，水槽(2)包括三段区域，从左往右依次为分别进水区域，实验区域和泄水区域。水槽(2)的进水区域放置蜂窝器(3)和阻尼网(4)。水槽(2)的实验区域放置实验所用的压电俘能装置(8)，实验区域后段放置水流测速计(10)，水流测速计(10)通过夹持梁(9)悬挂在水槽内。水槽(2)的泄水区域放置泄水挡板(11)，直流推杆电机(12)垂直放置在水槽的泄水区域上方，并且直流推杆电机(12)的推杆末端与泄水挡板(11)连接。水槽(2)的泄水区域正下方放置储水箱(16)，储水箱(16)内分别放置抽水管(13)和回水管(14)，抽水管(13)通过水泵(15)将储水箱(16)内的水抽到进水管(6)内，进水管(6)的出水端放置在水槽(2)的进水区域内。进水管(6)和回水管(14)上分别安装进水阀门(5)和回水阀门(7)。

所述的压电俘能装置包括结构一、结构二和结构三。

所述结构一装置包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(17)，螺杆(24)通过螺母(25)放置在夹持梁(17)的通孔中。在夹持梁(17)下面的螺杆(24)上放置带有通孔的上调距板(19)，夹具体(26)放置在螺杆(24)的最下端，夹持块(18)通过螺钉(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹具体(26)中。压电悬臂梁(20)自由端与圆柱绕流体(29)相接，圆柱绕流体(29)内部嵌入受激永磁铁(28)。上调距板(19)和下调距板(23)中间放置两根支撑杆(21)。激励永磁铁(30)通过磁铁夹具(22)分别安装在两根支撑杆(21)上。

所述结构二装置包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(33)，螺杆(31)通过螺母(32)放置在夹持梁(33)的通孔中，螺杆(31)末端放置夹具体(37)，夹持块(34)通过螺钉(36)将压电悬臂梁(35)夹持固定在夹具体(37)中。压电悬臂梁(35)自由端与圆柱绕流体(43)相接，圆柱绕流体(43)内部嵌入受激永磁铁(42)。所述结构二装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(41)，螺杆(39)通过螺母(40)放置在夹持梁(41)的通孔中，上调距板(44)和下调距板(47)中间放置两根支撑杆(45)，激励永磁铁(46)通过磁铁夹具(38)分别安装在两根支撑杆(45)上。

所述结构三装置包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(50)，螺杆(48)通过螺母(49)放置在夹持梁(50)的通孔中，螺杆(48)末端加工有一排调距通孔，夹具体(51)通过螺钉固定在螺杆(48)末端的调距通孔中。夹持片(52)通过螺钉将压电悬臂梁(53)夹持固定在夹具体(51)中，压电悬臂梁(53)自由端与圆柱绕流体(59)相接，圆柱绕流体(59)内部嵌入受激永磁铁(58)。所述结构三装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(57)，螺杆(55)通过螺母(56)放置在夹持梁(57)的通孔中，螺杆(55)下端放置带有通孔的上调距板(63)，上调距板(63)和下调距板(62)中间放置两根支撑杆(60)，激励永磁铁(61)通过磁铁夹具(54)安装在支撑杆(60)上。

水流中涡激振动压电俘能器的实验装置的装配关系包括实验平台的装配关系和压电俘能装置的装配关系。

水流中涡激振动压电俘能器的实验平台的装配及安装关系如下：

水槽(2)通过螺栓定位安装在水槽支架(1)上，蜂窝器(3)和阻尼网(3)通过水槽壁上的凹槽定位安装在水槽(2)中，泄水挡板(11)同样通过水槽壁上的凹槽定位安装在水槽(2)中。直流推杆电机(12)通过螺钉定位安装在水槽盖上，直流推杆电机(12)的推杆末端和泄水挡板(11)通过联轴器联接，保证泄水挡板(11)可以随着推杆的伸缩运动做往复上下直线运动，从而保证泄水流量的调节。水槽(2)里进水管(6)的进水口与水槽(2)底部固定安装，并且保证水槽(2)里进水管(6)的进水口正对蜂窝器(3)，储水箱(16)里抽水管(13)的抽水口与水泵(15)连接，水泵(15)固定在储水箱(16)底部，回水管(14)的出水口固定在储水箱(16)底部。

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置包括三种结构：结构一、结构二和结构三。所述三种结构的装配及安装关系如下：

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置结构一的装配及安装关系如下：

夹持梁(17)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(24)通过螺母(25)固定在夹持梁(17)的通孔中，并保证上下转动螺母(25)时，可以实现螺杆(24)的上下移动。上调距板(19)加工有螺纹通孔，与螺杆(24)配合安装。上调距板(19)和下调距板(23)分别都加工一排定位孔，支撑杆(21)通过定位孔固定安装在上调距板(19)和下调距板(23)之间。激励永磁铁(30)安装在磁铁夹具(22)上，磁铁夹具(22)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(22)定位在支撑杆(21)上，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(22)可以上下移动调节。夹具体(26)上表面加工有螺纹孔，与螺杆(24)末端的外螺纹配合安装，实现夹具体(26)与螺杆(24)的固定连接。夹持块(18)通过螺栓(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹具体(26)中，圆柱绕流体(29)安装在压电悬臂梁(20)自由端，圆柱绕流体(29)内部内嵌受激永磁铁(28)。

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置结构二的装配及安装关系如下：

夹持梁(33)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(31)通过螺母(32)固定在夹持梁(33)的通孔中，并保证上下转动螺母(32)时，可以实现螺杆(31)的上下移动。夹具体(37)上表面加工有螺纹孔，与螺杆(31)末端的外螺纹配合安装，实现夹具体(37)与螺杆(31)的固定连接。夹持块(34)通过螺栓(36)将压电悬臂梁(35)夹持固定在夹具体(37)中，偏心圆柱绕流体(43)安装在压电悬臂梁(35)自由端，偏心圆柱绕流体(43)内部内嵌受激永磁铁(42)。夹持梁(41)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(39)通过螺母(40)固定在夹持梁(41)的通孔中，并保证上下转动螺母(40)时，可以实现螺杆(39)的上下移动。上调距板(44)加工有螺纹通孔，与螺杆(39)配合安装。上调距板(44)和下调距板(47)分别都加工一排定位孔，支撑杆(45)通过定位孔，固定安装在上调距板(44)和下调距板(47)之间。激励永磁铁(46)安装在磁铁夹具(38)上，磁铁夹具(38)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(38)定位在支撑杆上(45)，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(38)可以上下移动调节。

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置结构三的装配及安装关系如下：

夹持梁(50)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(48)通过螺母(49)固定在夹持梁(50)的通孔中，并保证上下转动螺母(49)时，可以实现螺杆(48)的上下移动。螺杆(48)末端加工有一排定位螺纹孔，夹具体(51)同样加工有一排定位螺纹孔，夹具体(51)和螺杆(48)末端通过螺纹孔采用螺栓连接，实现夹具体(51)和螺杆(48)的固定连接，并且通过不同的螺纹孔配合可以实现夹具体(51)的上下移动调节。两片夹持片(52)通过螺钉将压电悬臂梁(53)夹持固定，圆柱绕流体(59)固定在压电悬臂梁(53)自由端，圆柱绕流体(59)内部内嵌受激永磁铁(58)。夹持梁(57)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(55)通过螺母(56)固定在夹持梁(57)的通孔中，并保证上下转动螺母(56)时，可以实现螺杆(55)的上下移动。上调距板(63)加工有螺纹通孔，与螺杆(55)配合安装。上调距板(63)和下调距板(62)分别都加工一排定位孔，支撑杆(60)通过定位孔，固定安装在上调距板(63)和下调距板(62)之间。激励永磁铁(61)安装在磁铁夹具(54)上，磁铁夹具(54)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(54)定位在支撑杆(60)上，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(54)可以上下移动调节。

水流中涡激振动压电俘能器的实验装置的工作过程包括实验平台的工作过程和实验台所用压电俘能装置的工作过程。

水流中涡激振动压电俘能器的实验平台的工作过程为：

水泵(15)通电前，保证进水阀门(5)处于关闭状态，回水阀门(7)处于打开状态。水泵(15)通电后，水流将被抽送到抽水管(13)，由于进水阀门(5)关闭，回水阀门(7)打开，故水流将通过回水管(14)返回到储水箱(16)中。等待水管中的水流稳定后，逐渐打开进水阀门(5)，使水流慢慢灌入到水槽(2)中，可以减小水流对水槽的冲击，保护实验台和实验所用的压电俘能器。水流进入水槽(2)后，水流的湍流度较大，将影响实验效果。为了使水流保持在稳定的层流状态，将水流先通过蜂窝器(3)，蜂窝器的作用是破坏原有水流的漩涡，使之更加平顺，再经过阻尼网(4)，使水流的湍流度进一步减小。最后水流流出进水区域，经过水槽面积的收缩，均匀加速水流，使水流更加均匀稳定的进入到实验区域。水流流过实验区域后，将流向泄水区域。泄水口的直流推杆电机(12)的推杆收缩，拉起泄水挡板(11)，水流将泄入储水箱(16)中循环利用。所述实验台通过进水阀门(5)、回水阀门(7)和泄水挡板(11)的流速调节开关，可以实现灵活精确的调节流速，节省实验时间，保证良好的实验效果。

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置包括三种结构：结构一、结构二和结构三，所述三种结构的结构特点和工作过程如下所述：

所述结构一的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(20)垂直于水流面固定，且压电悬臂梁(20)自由端与圆柱(29)上端面连接，仅尾端圆柱(29)浸入水中，因此此结构的俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现。由于此结构的圆柱绕流体(29)平行于压电悬臂梁(20)的方向，因此此结构的固有频率较低，可使俘能器在更低的激励频率下产生共振，因此可在更低速的水流环境下产生涡激共振现象。

所述结构一的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(29)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(20)将产生振动变形，产生电能，将压电悬臂梁(20)外接数字示波器，可以观察电压波形。为满足实验需要，测得多组数据，探究最佳实验数据，可以通过调节上调距板(19)和下调距板之间(23)的支撑杆(21)，将支撑杆(21)分别与上下调距板中不同的的通孔相配合，实现磁间距的调节。当改变压电悬臂梁(20)的长宽尺寸时，可以通过调节螺母(25)，实现压电悬臂梁(20)的上下调节。同时可以松开固定磁铁夹具(22)和支撑杆(21)的顶丝，上下调节磁铁夹具(22)，使其与圆柱绕流体(29)内嵌的磁铁(28)保持水平，便可引人非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围，满足实验探究需要。

所述结构二的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(35)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(35)自由端与圆柱(43)侧表面连接，圆柱绕流体(43)非对称安装在压电悬臂梁(35)自由端，即绕流体为偏心绕流体。仅圆柱体(43)的偏心部分浸入水，因此此结构的俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现，由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率相比结构一较高，可使俘能器在较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构一较高速的水流环境下产生涡激共振现象。

所述结构二的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(43)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(35)将产生振动变形，产生电能。为满足实验探究需要，测得多组数据进行比较，可以通过调节上调距板(44)和下调距板(47)之间的支撑杆(45)，将支撑杆(45)分别与上下调距板中不同的通孔相配合，实现磁间距的调节。当改变压电悬臂梁(35)的尺寸时，可以通过调节螺母(32)，实现压电悬臂梁(35)的上下调节。同时可以松开固定磁铁夹具(38)和支撑杆(45)的顶丝，上下调节磁铁夹具(38)，使其与圆柱绕流体(43)内嵌的磁铁(42)保持水平，便可引人非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围。将压电悬臂梁(35)外接数字示波器，通过调节各项参数，可以观察到电压波形的变化。

所述结构三的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(53)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(53)自由端与圆柱(59)侧表面连接，圆柱体(59)对称安装在压电悬臂梁(53)自由端。此时圆柱绕流体(59)和压电悬臂梁(53)需要全部浸入水中，因此此结构的俘能器需要考虑压电悬臂梁的水绝缘问题。由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率较高于结构二，可使俘能器在相比于结构二较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构二较高速的水流环境下产生涡激共振现象。

所述结构三的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(59)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(53)将产生振动变形，产生电能。为满足实验探究需要，测得多组数据进行比较，可以通过调节上调距板(63)和下调距板(62)之间的支撑杆(60)，将支撑杆(60)分别与上下调距板中不同的通孔相配合，实现磁间距的调节。当改变压电悬臂梁(53)的长宽尺寸时，可以通过调节螺母(49)，实现压电悬臂梁的上下调节。还可以通过改变夹具体(51)与螺杆(48)末端的不同定位孔连接，调节压电悬臂梁(53)的上下位置。同时可以松开固定磁铁夹具(54)铁(58)保持水平，便可引人非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围。将压电悬臂梁外接数字示波器，通过调节各项参数，可以观察到电压波形的变化。

所述水槽(2)整体结构采用有机玻璃加工而成。

所述蜂窝器(3)采用六角格子塑料蜂窝器。

所述阻尼网(4)采用金属丝网，层数为三层。

所述直流推杆电机(12)可由遥控器控制推杆的伸缩。

所述泄水挡板(11)为有机塑料加工而成。

所述抽水管(13)、进水管(6)和回水管(14)均为有机塑料加工而成，各管道之间通过电熔胶相连接。

所述压电俘能装置各结构的的螺杆、螺丝和螺钉由304不锈钢加工而成。

所述压电俘能装置各结构的圆柱绕流体、调距板、夹具体及夹持装置均由PLA材料经3D打印加工而成。

所述压电俘能装置各结构圆柱绕流体内嵌的激励永磁铁，及磁铁夹具中的受激永磁铁材料均为汝铁硼。

水流中涡激振动压电俘能器的实验装置的使用方法：水泵通电前，保证进水阀门处于关闭状态，回水阀门处于打开状态。水泵通电后，再缓缓打开进水阀门，降低水流对实验平台的冲击。实验平台内通入稳定的层流流场后，将上述所述压电俘能装置按所述安装方法放置在实验平台中，圆柱绕流体将在水中发生振动现象，通过改变不同实验结构或者改变相同结构的不同实验参数，将输出电压与示波器相连接，可以提取相关实验数据。提取后的实验数据可以通过Origin软件处理分析。所述实验方法可以探究不同流速下，不同结构下的压电俘能特性。还可以探究相同结构下不同磁间距，不同压电悬臂梁尺寸下的压电俘能特性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

(1)本发明的水流涡激振动实验平台可以模拟低流速稳定层流环境，适合探究低流速下的涡激振动压电发电实验，提供稳定的层流水流环境。

(2)本发明的水流涡激振动实验平台通过进水阀门、回水阀门及泄水挡板这三个流速开关的控制调节，可以省时省力并且灵活地调节流速。

(3)本发明的水流涡激振动压电俘能装置的结构多样化，可以适应多种流速环境，能满足实验要求，探究各个流速下最合适的压电俘能结构。

(4)本发明的本发明水流涡激振动压电俘能装置各个结构可以根据压电悬臂梁尺寸的变化，调节压电悬臂梁的位置，以满足实验设计的要求。

(5)本发明的水流涡激振动压电俘能装置通过圆柱绕流体内嵌受激永磁铁引入非线性磁力，能增大圆柱体的涡激振动幅值和共振流速范围，实现宽频带压电发电。该装置磁间距可调，可以通过调节磁间距，可以获得不同组的实验数据，满足实验设计的要求。

附图说明

图1是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置总结构示意图；

图2是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的水槽结构示意图；

图3是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的水流测速计结构示意图；

图4是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的压电俘能装置结构一示意图；

图5是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的压电俘能装置结构二示意图；

图6是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的压电俘能装置结构三示意图；

图7是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置中的磁铁夹具结构示意图；

图8是本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置结构三中的绕流体结构示意图；

图1至图8中标号统一，(1)为水槽支架，(2)为水槽，(3)为蜂窝器。(4)为阻尼网，(5)为进水阀门，(6)为进水管，(7)为回水阀门，(8)为压电俘能装置，(9)为夹持梁，(10)为水流测速计，(11)为泄水挡板，(12)为直流推杆电机，(13)为抽水管，(14)为回水管，(15)为水泵，(16)为储水箱，(17)为夹持梁，(18)为夹持块，(19)为上调距板，(20)为压电悬臂梁，(21)为支撑杆，(22)为磁铁夹具，(23)为下调距板，(24)为螺杆，(25)为螺母，(26)为夹具体，(27)为螺钉，(28)为受激永磁铁，(29)为圆柱绕流体，(30)为激励永磁铁，(31)为螺杆，(32)为螺母，(33)为夹持梁，(34)为夹持块，(35)为压电悬臂梁，(36)为螺钉，(37)为夹具体，(38)为磁铁夹具，(39)为螺杆，(40)为螺母，(41)为夹持梁，(42)为受激永磁铁，(43)为圆柱绕流体，(44)为上调距板，(45)为支撑杆，(46)为激励永磁铁，(47)为下调距板，(48)为螺杆，(49)为螺母，(50)为夹持梁，(51)为夹具体，(52)为夹持片，(53)为压电悬臂梁，(54)为磁铁夹具，(55)为螺杆，(56)为螺母，(57)为夹持梁，(58)为受激永磁铁，(59)为圆柱绕流体，(60)为支撑杆，(61)为激励永磁铁，(62)为下调距板,(63)为上调距板。

具体实施方式

为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细地描述，该实施仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1至图3所示，水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，所述实验装置包括实验平台和实验所用的压电俘能装置。所述实验平台包括：进水区域，实验区域和泄水区域，水槽(2)通过螺栓定位安装在水槽支架(1)上，蜂窝器(3)和阻尼网(3)通过水槽壁上的凹槽定位安装在水槽(2)中，泄水挡板(11)同样通过水槽壁上的凹槽定位安装在水槽(2)中。直流推杆电机(12)通过螺钉定位安装在水槽盖上，直流推杆电机(12)的推杆末端和泄水挡板(11)通过联轴器联接，保证泄水挡板(11)可以随着推杆的伸缩运动做往复上下直线运动，从而保证泄水流量的调节。水槽(2)里进水管(6)的进水口与水槽(2)底部固定安装，并且保证水槽(2)里进水管(6)的进水口正对蜂窝器(3)，从而减小水流的湍流。储水箱(16)里抽水管(13)的抽水口与水泵(15)连接，水泵(15)固定在储水箱(16)底部，回水管(14)的出水口固定在储水箱(16)底部。水流在储水箱(16)中循环利用。水流依次经过进水区域，实验区域和泄水区域，一定流速的水流在实验区域流过压电俘能器后，将会产生涡激振动，压电俘能器将会输出电能，从而得到实验数据。

如图4所示，压电俘能装置结构一包括：夹持梁(17)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(24)通过螺母(25)固定在夹持梁(17)的通孔中，并保证上下转动螺母(25)时，可以实现螺杆(24)的上下移动，从而调节相关实验参数。上调距板(19)加工有螺纹通孔，与螺杆(24)配合安装。上调距板(19)和下调距板(23)分别都加工一排定位孔，支撑杆(21)通过定位孔固定安装在上调距板(19)和下调距板(23)之间。激励永磁铁(30)安装在磁铁夹具(22)上，磁铁夹具(22)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(22)定位在支撑杆(21)上，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(22)可以上下移动调节，从而调节相关实验参数。夹具体(26)上表面加工有螺纹孔，与螺杆(24)末端的外螺纹配合安装，实现夹具体(26)与螺杆(24)的固定连接。夹持块(18)通过螺栓(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹具体(26)中，圆柱绕流体(29)安装在压电悬臂梁(20)自由端，圆柱绕流体(29)内部内嵌受激永磁铁(28)，可以通过改变两根支撑杆之间的距离调节磁间距大小，获得不同的实验数据。

如图5所示，压电俘能装置结构二包括：夹持梁(33)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(31)通过螺母(32)固定在夹持梁(33)的通孔中，并保证上下转动螺母(32)时，可以实现螺杆(31)的上下移动，从而调节相关实验参数。夹具体(37)上表面加工有螺纹孔，与螺杆(31)末端的外螺纹配合安装，实现夹具体(37)与螺杆(31)的固定连接。夹持块(34)通过螺栓(36)将压电悬臂梁(35)夹持固定在夹具体(37)中，偏心圆柱绕流体(43)安装在压电悬臂梁(35)自由端，偏心圆柱绕流体(43)内部内嵌受激永磁铁(42)。夹持梁(41)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(39)通过螺母(40)固定在夹持梁(41)的通孔中，并保证上下转动螺母(40)时，可以实现螺杆(39)的上下移动，从而调节相关实验参数。上调距板(44)加工有螺纹通孔，与螺杆(39)配合安装。上调距板(44)和下调距板(47)分别都加工一排定位孔，支撑杆(45)通过定位孔，固定安装在上调距板(44)和下调距板(47)之间。激励永磁铁(46)安装在磁铁夹具(38)上，磁铁夹具(38)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(38)定位在支撑杆上(45)，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(38)可以上下移动调节，可以通过改变两根支撑杆之间的距离调节磁间距大小，获得不同的实验数据。

如图6所示，压电俘能装置结构三包括：夹持梁(50)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(48)通过螺母(49)固定在夹持梁(50)的通孔中，并保证上下转动螺母(49)时，可以实现螺杆(48)的上下移动。螺杆(48)末端加工有一排定位螺纹孔，夹具体(51)同样加工有一排定位螺纹孔，夹具体(51)和螺杆(48)末端通过螺纹孔采用螺栓连接，实现夹具体(51)和螺杆(48)的固定连接，并且通过不同的螺纹孔配合可以实现夹具体(51)的上下移动调节。两片夹持片(52)通过螺钉将压电悬臂梁(53)夹持固定，圆柱绕流体(59)固定在压电悬臂梁(53)自由端，圆柱绕流体(59)内部内嵌受激永磁铁(58)。夹持梁(57)通过螺钉固定在水槽壁两侧，螺杆(55)通过螺母(56)固定在夹持梁(57)的通孔中，并保证上下转动螺母(56)时，可以实现螺杆(55)的上下移动。上调距板(63)加工有螺纹通孔，与螺杆(55)配合安装。上调距板(63)和下调距板(62)分别都加工一排定位孔，支撑杆(60)通过定位孔，固定安装在上调距板(63)和下调距板(62)之间。激励永磁铁(61)安装在磁铁夹具(54)上，磁铁夹具(54)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(54)定位在支撑杆(60)上，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(54)可以上下移动调节。可以通过改变两根支撑杆之间的距离调节磁间距大小，获得不同的实验数据。

如图7所示，磁铁夹具中加工有通孔，安装在支撑杆上可以实现上下移动，根据实验要求作出调节。

如图8所示，圆柱绕流体中间加工内孔，可以将受激永磁铁内嵌到孔中。

为了考虑到使压电俘能器在更低的激励频率下产生共振，在更低速的水流环境下产生涡激共振现象，故所述结构一的结构特点包括：压电悬臂梁(20)垂直于水流面固定，且压电悬臂梁(20)自由端与圆柱(29)上端面连接，仅尾端圆柱(29)浸入水中，因此此俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现。由于此结构的圆柱绕流体(29)平行于压电悬臂梁(20)的方向，因此此结构的固有频率相比较其他两种结构最低。

为了充分使压电俘能器适应多种流速范围，可以在多种流速范围内产生共振，故所述结构二的结构特点包括：压电悬臂梁(35)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(35)自由端与圆柱(43)侧表面连接，圆柱绕流体(43)非对称安装在压电悬臂梁(35)自由端，即绕流体为偏心绕流体。仅圆柱体(43)的偏心部分浸入水，因此此俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现。由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率相比结构一较高，可使俘能器在较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构一较高速的水流环境下产生涡激共振现象。

为了充分使压电俘能器适应多种流速范围，可以在多种流速范围内产生共振，所述结构三的结构特点包括：压电悬臂梁(53)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(53)自由端与圆柱(59)侧表面连接，圆柱体(59)对称安装在压电悬臂梁(53)自由端。此时圆柱绕流体(59)和压电悬臂梁(53)需要全部浸入水中，因此此俘能器需要考虑压电悬臂梁的水绝缘问题。由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率较高于结构二，可使俘能器在相比于结构二较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构二较高速的水流环境下产生涡激共振现象。

综上所述，本发明水流中涡激振动压电俘能器的实验装置及其使用方法，其实验平台通过进水阀门，回水阀门和泄水挡板的配合使用，能够准确便捷的调节流场的流速，以满足实验对不同流速的要求，同时可以提供稳定低流速的层流环境，以满足实验对流场稳定性的要求。本发明中提出的三种结构的压电俘能装置，通过圆柱绕流体内嵌受激永磁铁引入非线性磁力，可以有效增大共振带宽即共振流速范围，同时三种不同的俘能器结构设计，可以调节各种实验参数，包括磁间距和压电悬臂梁的尺寸等，从而可以广泛适合各个流速范围，能够在各个流速范围内发生共振，满足实验的探究需要，获得多组实验数据。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：包括实验平台和实验所用的压电俘能装置；所述实验平台包括水槽支架(1)，水槽支架(1)上固定放置水槽(2)，水槽(2)包括三段区域，从左往右依次为分别进水区域，实验区域和泄水区域；水槽(2)的进水区域放置蜂窝器(3)和阻尼网(4)；水槽(2)的实验区域放置实验所用的压电俘能装置(8)，实验区域后段放置水流测速计(10)，水流测速计(10)通过夹持梁(9)悬挂在水槽内；水槽(2)的泄水区域放置泄水挡板(11)，直流推杆电机(12)垂直放置在水槽的泄水区域上方，并且直流推杆电机(12)的推杆末端与泄水挡板(11)连接；水槽(2)的泄水区域正下方放置储水箱(16)，储水箱(16)内分别放置抽水管(13)和回水管(14)，抽水管(13)通过水泵(15)将储水箱(16)内的水抽到进水管(6)内，进水管(6)的出水端放置在水槽(2)的进水区域内；进水管(6)和回水管(14)上分别安装进水阀门(5)和回水阀门(7)；

所述的压电俘能装置包括结构一、结构二和结构三；

所述结构一包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(17)，螺杆(24)通过螺母(25)放置在夹持梁(17)的通孔中；在夹持梁(17)下面的螺杆(24)上放置带有通孔的上调距板(19)，夹具体(26)放置在螺杆(24)的最下端，夹持块(18)通过螺钉(27)将压电悬臂梁(20)夹持固定在夹具体(26)中；压电悬臂梁(20)自由端与圆柱绕流体(29)相接，圆柱绕流体(29)内部嵌入受激永磁铁(28)；上调距板(19)和下调距板(23)中间放置两根支撑杆(21)；激励永磁铁(30)通过磁铁夹具(22)分别安装在两根支撑杆(21)上；

所述结构二包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(33)，螺杆(31)通过螺母(32)放置在夹持梁(33)的通孔中，螺杆(31)末端放置夹具体(37)，夹持块(34)通过螺钉(36)将压电悬臂梁(35)夹持固定在夹具体(37)中；压电悬臂梁(35)自由端与圆柱绕流体(43)相接，圆柱绕流体(43)内部嵌入受激永磁铁(42)；所述结构二装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(41)，螺杆(39)通过螺母(40)放置在夹持梁(41)的通孔中，上调距板(44)和下调距板(47)中间放置两根支撑杆(45)，激励永磁铁(46)通过磁铁夹具(38)分别安装在两根支撑杆(45)上；

所述结构三包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(50)，螺杆(48)通过螺母(49)放置在夹持梁(50)的通孔中，螺杆(48)末端加工有一排调距通孔，夹具体(51)通过螺钉固定在螺杆(48)末端的调距通孔中；夹持片(52)通过螺钉将压电悬臂梁(53)夹持固定在夹具体(51)中，压电悬臂梁(53)自由端与圆柱绕流体(59)相接，圆柱绕流体(59)内部嵌入受激永磁铁(58)；所述结构三装置还包括夹持在水槽(2)上的夹持梁(57)，螺杆(55)通过螺母(56)放置在夹持梁(57)的通孔中，螺杆(55)下端放置带有通孔的上调距板(63)，上调距板(63)和下调距板(62)中间放置两根支撑杆(60)，激励永磁铁(61)通过磁铁夹具(54)安装在支撑杆(60)上。

2.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述水槽(2)整体结构采用有机玻璃加工而成；

所述蜂窝器(3)采用六角格子塑料蜂窝器；

所述阻尼网(4)采用金属丝网，层数为三层。

3.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述直流推杆电机(12)可由遥控器控制推杆的伸缩。

4.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述泄水挡板(11)为有机塑料加工而成。

5.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述抽水管(13)、进水管(6)和回水管(14)均为有机塑料加工而成，各管道之间通过电熔胶相连接。

6.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述压电俘能装置各结构的的螺杆、螺丝和螺钉由304不锈钢加工而成。

7.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：所述压电俘能装置各结构的圆柱绕流体、调距板、夹具体及夹持装置均由PLA材料经3D打印加工而成；

所述压电俘能装置各结构圆柱绕流体内嵌的受激永磁铁，及磁铁夹具中的激励永磁铁材料均为汝铁硼。

8.根据权利要求1所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置，其特征在于：

水槽(2)里进水管(6)的进水口与水槽(2)底部固定安装，并且保证水槽(2)里进水管(6)的进水口正对蜂窝器(3)，储水箱(16)里抽水管(13)的抽水口与水泵(15)连接，水泵(15)固定在储水箱(16)底部，回水管(14)的出水口固定在储水箱(16)底部；

激励永磁铁(46)安装在磁铁夹具(38)上，磁铁夹具(38)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(38)定位在支撑杆上(45)，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(38)能够上下移动调节；

上调距板(63)和下调距板(62)分别都加工一排定位孔，支撑杆(60)通过定位孔，固定安装在上调距板(63)和下调距板(62)之间；激励永磁铁(61)安装在磁铁夹具(54)上，磁铁夹具(54)内加工有通孔，并且通过顶丝将磁铁夹具(54)定位在支撑杆(60)上，当松开顶丝时，保证磁铁夹具(54)能够上下移动调节。

9.利用权利要求1所述装置进行的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置使用方法，其特征还在于：水流中涡激振动压电俘能器的实验装置的工作过程包括实验平台的工作过程和实验台所用压电俘能装置的工作过程；

水流中涡激振动压电俘能器的实验平台的工作过程为：

水泵(15)通电前，保证进水阀门(5)处于关闭状态，回水阀门(7)处于打开状态；水泵(15)通电后，水流将被抽送到抽水管(13)，由于进水阀门(5)关闭，回水阀门(7)打开，故水流将通过回水管(14)返回到储水箱(16)中；等待水管中的水流稳定后，逐渐打开进水阀门(5)，使水流慢慢灌入到水槽(2)中，减小水流对水槽的冲击，保护实验台和实验所用的压电俘能器；水流进入水槽(2)后，水流的湍流度较大，将影响实验效果；为了使水流保持在稳定的层流状态，将水流先通过蜂窝器(3)，蜂窝器的作用是破坏原有水流的漩涡，使之更加平顺，再经过阻尼网(4)，使水流的湍流度进一步减小；最后水流流出进水区域，经过水槽面积的收缩，均匀加速水流，使水流更加均匀稳定的进入到实验区域；水流流过实验区域后，将流向泄水区域；泄水口的直流推杆电机(12)的推杆收缩，拉起泄水挡板(11)，水流将泄入储水箱(16)中循环利用；所述实验台通过进水阀门(5)、回水阀门(7)和泄水挡板(11)的流速调节开关，可以实现灵活精确的调节流速，节省实验时间，保证良好的实验效果；

水流中涡激振动压电俘能器的压电俘能装置包括三种结构：结构一、结构二和结构三，所述三种结构的结构特点和工作过程如下所述：

所述结构一的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(20)垂直于水流面固定，且压电悬臂梁(20)自由端与圆柱绕流体(29)上端面连接，仅压电悬臂梁(20)尾端圆柱绕流体(29)浸入水中，因此此结构的俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现；由于此结构的圆柱绕流体(29)平行于压电悬臂梁(20)的方向，因此此结构的固有频率较低，使俘能器在更低的激励频率下产生共振，因此在更低速的水流环境下产生涡激共振现象；

所述结构一的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(29)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(20)将产生振动变形，产生电能，将压电悬臂梁(20)外接数字示波器，可以观察电压波形；为满足实验需要，测得多组数据，探究最佳实验数据，可以通过调节上调距板(19)和下调距板之间(23)的支撑杆(21)，将支撑杆(21)分别与上下调距板中不同的的通孔相配合，实现磁间距的调节；当改变压电悬臂梁(20)的长宽尺寸时，可以通过调节螺母(25)，实现压电悬臂梁(20)的上下调节；同时可以松开固定磁铁夹具(22)和支撑杆(21)的顶丝，上下调节磁铁夹具(22)，使其与圆柱绕流体(29)内嵌的受激永磁铁(28)保持水平，便可引入非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围，满足实验探究需要；

所述结构二的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(35)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(35)自由端与圆柱绕流体(43)侧表面连接，圆柱绕流体(43)非对称安装在压电悬臂梁(35)自由端，即绕流体为偏心绕流体；仅圆柱绕流体(43)的偏心部分浸入水，因此此结构的俘能器不用考虑压电悬臂梁的水绝缘问题，实验条件易于实现，由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率相比结构一较高，可使俘能器在较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构一较高速的水流环境下产生涡激共振现象；

所述结构二的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(43)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(35)将产生振动变形，产生电能；为满足实验探究需要，测得多组数据进行比较，通过调节上调距板(44)和下调距板(47)之间的支撑杆(45)，将支撑杆(45)分别与上下调距板中不同的通孔相配合，实现磁间距的调节；当改变压电悬臂梁(35)的尺寸时，可以通过调节螺母(32)，实现压电悬臂梁(35)的上下调节；同时可以松开固定磁铁夹具(38)和支撑杆(45)的顶丝，上下调节磁铁夹具(38)，使其与圆柱绕流体(43)内嵌的受激永磁铁(42)保持水平，便可引入非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围；将压电悬臂梁(35)外接数字示波器，通过调节各项参数，可以观察到电压波形的变化；

所述结构三的结构特点如下所述：

压电悬臂梁(53)平行于水流面固定，且压电悬臂梁(53)自由端与圆柱绕流体(59)侧表面连接，圆柱绕流体(59)对称安装在压电悬臂梁(53)自由端；此时圆柱绕流体(59)和压电悬臂梁(53)需要全部浸入水中，因此此结构的俘能器需要考虑压电悬臂梁的水绝缘问题；由于此结构的圆柱绕流体垂直于压电悬臂梁的方向，因此此结构的固有频率较高于结构二，使俘能器在相比于结构二较高的激励频率下产生共振，因此可在相比结构二较高速的水流环境下产生涡激共振现象；

所述结构三的工作过程如下所述：

当水流流过圆柱绕流体(59)，当涡激脱落的频率接近压电俘能装置的固有频率时，将发生涡激共振，压电悬臂梁(53)将产生振动变形，产生电能；为满足实验探究需要，测得多组数据进行比较，通过调节上调距板(63)和下调距板(62)之间的支撑杆(60)，将支撑杆(60)分别与上下调距板中不同的通孔相配合，实现磁间距的调节；当改变压电悬臂梁(53)的长宽尺寸时，通过调节螺母(49)，实现压电悬臂梁的上下调节；还能够通过改变夹具体(51)与螺杆(48)末端的不同定位孔连接，调节压电悬臂梁(53)的上下位置；同时松开固定磁铁夹具(54)的受激永磁铁(58)并保持水平，便引入非线性磁力，进而提高涡激振动强度，增大共振流速范围；将压电悬臂梁外接数字示波器，通过调节各项参数，观察到电压波形的变化。

10.根据权利要求9所述的水流中涡激振动压电俘能器的实验装置使用方法，其特征在于：所述水流中涡激振动压电俘能器的实验装置的使用方法：水泵通电前，保证进水阀门处于关闭状态，回水阀门处于打开状态；水泵通电后，再缓缓打开进水阀门，降低水流对实验平台的冲击；实验平台内通入稳定的层流流场后，将所述压电俘能装置按所述安装方法放置在实验平台中，圆柱绕流体将在水中发生振动现象，通过改变不同实验结构或者改变相同结构的不同实验参数，将输出电压与示波器相连接，提取相关实验数据；提取后的实验数据能够通过Origin软件处理分析；实验方法能够探究不同流速下，不同结构下的压电俘能特性；还能够探究相同结构下不同磁间距，不同压电悬臂梁尺寸下的压电俘能特性。

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