CN110348124B - 一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法 - Google Patents

一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法。其包括如下步骤：步骤S1，建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型；步骤S2，确定电极布置类型，建立其几何模型；步骤S3，添加物理场；步骤S4，设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性；步骤S5，网格划分；步骤S6，设置各物理场属性和边界条件；步骤S7，确定各物理场耦合关系，建立多物理场耦合模型；步骤S8，流场特性分析；步骤S9，静电场特性分析；步骤S10，球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析。它考虑了从波浪激励到电能输出过程中的多物理场的耦合作用，使得结果更加接近实际情况。

Description

一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合 建模方法
技术领域
本发明涉及波浪能的利用领域，尤其是一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法。
背景技术
现代社会对能源的需求越来越大，寻求高效、清洁和安全的新能源成为解决人们对能源需求的重要途径。海洋波浪能作为一种新型、清洁、无污染的可再生能源，因其具有储量大、能量密度高、分布广泛、能量易于转化等优点，已成为现在国际研究的重点。传统的波浪能装置按能量传递转换的方式可分为机械式、水压式、液压式、直线电机式等。但是由于波浪能是一个低频(<5Hz)的能量，所以对于上述方法来说，对于波浪能的获取效率都不高。近年来发展起来的摩擦纳米发电机在对不规则和低频(<5Hz)波浪能获取方面表现出了比传统波浪能发电装置更优越的性能，逐渐成为国内外的研究热点。其中，球形摩擦发电机在具有摩擦发电机普遍获能优势的基础上，还具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点，日益受到了国内外学者的青睐。当前，人们对球形摩擦发电机的研究还主要是从功能实现的角度，采用静态仿真的方法对其发电机理进行研究。实际上，球形摩擦发电机的输出性能强依赖于外部波浪激励以及装置的物理属性(结构和材料参数)。为了更加真实地研究球形摩擦发电机在真实海况下的输出性能，本发明通过构建集波浪场、瞬态摩擦接触力场和静电场的多物理场耦合模型，分析球形摩擦纳米发电机在特定海况下的瞬态输出性能，为球形摩擦发电机在波浪能开发领域的实用化奠定基础。
目前，国内外学者大多采用静态的静电场参数化仿真的方法对摩擦纳米发电机的性能进行仿真分析，一般采用COMSOL Multiphysics软件进行静电场仿真，再使用Pspice软件进行等效电路模型性能仿真。但实际上，获取波浪能的球形摩擦纳米发电机存在着多个物理场之间的复杂耦合关系：波浪和摩擦纳米发电机的支撑壳体存在着流-固物理场的耦合；摩擦纳米发电机支撑壳体和摩擦起电球存在着固-固接触；摩擦起电球和电极之间还存在着相对位置改变引起的感应电动势的变化，所以在仿真分析中应该考虑多物理场的耦合作用。使用多物理场耦合仿真的方法对球形摩擦纳米发电机进行仿真分析，能进一步完善和精确在特定波浪环境下，摩擦纳米发电机的主要结构参数和输出性能，对于摩擦纳米发电机的实用化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的基于静态参数化扫描的摩擦纳米发电机单物理场仿真建模方法存在的问题，提出了一种高效、可靠且适合于球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，本方法弥补了单物理场仿真方法无法定量评估在特定波浪激励下，摩擦纳米发电机的瞬态输出性能以及各个部分相互作用的问题，其采用的技术方案如下：
一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型：包括确定数值波浪场计算域尺寸，外球壳和内球体的几何形状及相对位置；
步骤S2，确定电极布置类型，建立其几何模型：包括确定电极的数量、位置和形状；
步骤S3，添加物理场；
步骤S4，设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性；
步骤S5，网格划分,划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界，采用自由三角形网格进行网格划分并根据各个物理场的需要进行网格细化；
步骤S6，设置各物理场属性和边界条件；
步骤S7，确定各物理场耦合关系，建立多物理场耦合模型；
步骤S8，流场特性分析：包括数值波浪激励场的振幅和频率分析；
步骤S9，静电场特性分析：包括球形摩擦纳米发电机的电势分布、电极间的开路电压和等效电容的瞬态分析；
步骤S10，球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析：提取静电场分析得到的时域开路电压和等效电容，将其导入电路仿真软件Pspice中进行最优负载匹配分析和输出电能分析。
在上述技术方案基础上，所述步骤S1中，需要在数值波浪场中建立消波区域，此模型采用的是斜坡消波方案，在消波区域添加一个固体斜面达到消波的目的,数值波浪场的横向尺寸大概为3-4个波长，纵向尺寸大概为3-4个波高。
在上述技术方案基础上，所述步骤S3中，物理场包括固体力学物理场、层流物理场、相物理场和静电物理场。
在上述技术方案基础上，所述步骤S4中，从材料库中添加air、water/liquid到空气域和水域的几何模型，再添加球形摩擦纳米发电机所采用的材料。
在上述技术方案基础上，所述步骤S5中，层流物理场和相物理场使用物理场控制的极细化的自由三角形网格，固体力学物理场和静电物理场使用用户自定义的自由三角形网格，并设置合适的最大单元大小,所有的空气域和水域设置为变形域动网格，并采用Yeoh网格平滑类型。
在上述技术方案基础上，所述步骤S6中，在层流物理场中，选择使用包含重力的物理模型，添加一个移动壁，并通过自定义函数定义其运动边界，从而实现推板造波，同时设置一个压力约束点作为压力输出边界；在相物理场中，赋予空气域和水域不同的初始值并设置不同的相场变量，再将水面设置为初始界面；在固体力学物理场中，给外球壳、内球体和电极添加重力属性，添加外球壳和内球体的接触属性；在固体力物理场学中，为了提高仿真计算效率，对外球壳施加一个水平方向的弹簧约束，同时将外球壳作刚体处理；在静电物理场中，在外球壳和内球体的接触表面添加表面电荷密度，并设置一个接地边界。
在上述技术方案基础上，所述步骤S7中，多物理场耦合模型存在波浪场和支撑壳体的流固耦合、空气域和水域的二相流(相流)耦合、内球体和外球壳的固-固接触以及内球体和外球壳相对运动引起的感应电动势；在二相流(相流)耦合中，耦合接口的流体流动设置为层流，移动界面设置为相场，设置流体一和流体二的属性；在流固耦合中，耦合接口的流体设置为层流，结构设置为固体力学，固定几何耦合类型设置为全耦合。
在上述技术方案基础上，所述步骤S8中，通过定义探针，获取数值波浪场的波浪幅度和频率。
在上述技术方案基础上，所述步骤S9中，通过定义探针，获取静电场的电势分布、电极间的开路电压和等效电容。
在上述技术方案基础上，所述步骤S10中，添加VPWL电压源，在其属性中导入静电场仿真得到的开路电压，再添加一个电容，在其属性中导入静电场仿真得到的等效电容数值，添加一个仿真文件，选择Time Domain；添加一个串联的定值电阻，再添加一个TimeDomain的仿真文件，改变电阻值并测量电阻值的功率，得到最优负载阻值。
本发明的有益效果为：一、考虑了从波浪激励到电能输出过程中的多物理场的耦合作用，使得结果更加接近实际情况。二、可以对特定波浪激励情况下的摩擦纳米发电机的输出性能进行定量分析，更加具有针对性。三、可通过多物理场的耦合仿真，优化摩擦纳米发电机的结构参数。四、在仿真过程中，不仅考虑了摩擦纳米发电机的输出性能，还考虑了波浪和支撑壳体的相互作用、内球体和外球壳的相互作用，使结构更可靠。
附图说明
图1a为建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型；
图1b为摩擦纳米发电机的几何模型的放大结构示意图；
图2为球形摩擦纳米发电机固体接触碰撞区域的网格划分；
图3为球形摩擦纳米发电机流场的网格划分；
图4为0s时静电场的电势分布图；
图5为0.7s时静电场的电势分布图；
图6为0.8s时静电场的电势分布图；
图7为0s时的相场变量分布图；
图8为0.34s时的相场变量分布图；
图9为0.84s时的相场变量分布图；
图10为球形摩擦纳米发电机开路电压图；
图11为球形摩擦纳米发电机等效电容图；
图12为球形摩擦纳米发电机等效电路图；
图13为负载阻值为1E10Ω时的负载功率图；
图14为负载阻值为1E10Ω时的电流图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
如图1a和图1b至图14所示，本发明提供一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，该方法基于COMSOL软件平台，其主要包括绘制模型部件、设置部件材料属性、添加物理场、设置物理场属性和物理场边界条件、设置多物理场耦合属性、划分网格、设置研究属性、提交计算及后处理，具体步骤如下：
步骤S1，建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型：
本例构建了一个外径为2cm，内径为1.5cm的外球壳6，构建了一个外径为0.3cm的内球体1(摩擦起电球)，构建了4个厚度为0.1cm并沿着支撑壳体6内表面均匀分布的电极2，构建了长为80cm，高为5cm的长方形作为空气域3和水域4(波浪场)，最后将它们形成联合体并采用自动修复容差；
步骤S2，确定电极布置类型，建立其几何模型：包括确定电极的数量、位置和形状；
步骤S3，添加物理场，物理场涉及固体力学物理场、层流物理场、相物理场和静电物理场；在层流物理场和相物理场中选择空气域3和水域4，固体力学物理场选择外球壳6和内球体1，静电物理场选择所有域；
步骤S4，设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性；在材料属性中选择空气域的材料为Air，水域为water/liquid，再自行创建球形摩擦纳米发电机的外球壳和内球体的材料，输入相关的属性值就可以完成创建；
步骤S5，网格划分,划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界，采用自由三角形网格进行网格划分并根据各个物理场的需要进行网格细化；层流物理场和相物理场使用的自由三角形网格采用物理场控制的极细化网格，固体力学物理场和静电物理场使用的自由三角形网格采用用户自定义网格，并设置最大单元大小为0.1cm，所有的空气域和水域设置为变形域动网格，并采用Yeoh网格平滑类型；
步骤S6，设置层流场、相场、固体力学场、静电场的属性和边界条件；在层流物理场选择重力物理模型，并添加一个壁为移动壁，并通过自定义函数定义其运动边界用来实现推板造波，然后设置一个压力约束点作为压力输出边界；在相物理场中，将水域添加到一个域初始值中，并且相场变量指定为流体一(Φ＝-1)，再将空气域添加到另一个域初始值中，并且相场变量指定为流体二(Φ＝1)；在固体力学物理场中，为外球壳和内球体添加重力，再添加接触对，并且选中已经设置好的接触对，再添加外球壳为刚性域；在静电物理场中，为外球壳内表面添加表面电荷密度，为内球体外表面添加表面电荷密度，并且选择空气域的顶部为接地边界条件；
步骤S7，确定各物理场耦合关系，建立多物理场耦合模型；多物理场耦合模型存在波浪场和支撑壳体的流固耦合、空气域和水域的二相流(相流)耦合、内球体1和外球壳6的固-固接触以及内球体和外球壳相对运动引起的感应电动势；在二相流(相流)耦合中，耦合接口的流体流动设置为层流，移动界面设置为相场，流体一属性选择water/liquid，流体二属性选择Air；在流固耦合中，耦合接口的流体设置为层流，结构设置为固体力学，固定几何耦合类型设置为全耦合；
步骤S8，流场特性分析：包括数值波浪激励场的振幅和频率分析；主要分析在自定义函数的造波板的作用下，数值波浪场的幅值和频率。
步骤S9，静电场特性分析：包括球形摩擦纳米发电机的电势分布、电极间的开路电压和等效电容的瞬态分析；主要分析在波浪激励的作用下，静电场分布的变化导致输出电极电势的变化，为了使仿真更加贴近球形摩擦纳米发电机实际工作情况，可调节造波板的参数、外球壳和内球体的杨氏模量、密度等参数，进而分析球形摩擦纳米发电机在不同的波浪激励情况下和采用不同的摩擦起电材料的情况下，输出性能的变化。
步骤S10，球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析：提取静电场分析得到的时域开路电压和等效电容，将其导入电路仿真软件Pspice中进行最优负载匹配分析和输出电能分析。主要分析摩擦纳米发电机对于不同的负载导致的输出性能的变化，从而得到最优负载阻值。
优选的，所述步骤S1中，需要在数值波浪场中建立消波区域，此模型采用的是斜坡消波方案，在消波区域添加一个固体斜面5达到消波的目的,数值波浪场的横向尺寸大概为3-4个波长，纵向尺寸大概为3-4个波高。
优选的，所述步骤S8中，通过定义探针，获取数值波浪场的波浪幅度和频率。
优选的，所述步骤S9中，通过定义探针，获取静电场的电势分布、电极间的开路电压和等效电容。
优选的，所述步骤S10中，添加VPWL电压源，在其属性中导入静电场仿真得到的开路电压，再添加一个电容，在其属性中导入静电场仿真得到的等效电容数值，添加一个仿真文件，选择Time Domain；添加一个串联的定值电阻，再添加一个Time Domain的仿真文件，改变电阻值并测量电阻值的功率，得到最优负载阻值。
在一个优选的实施例中，列举仿真计算了球形摩擦纳米发电机在最大值为8cm/s，角频率为6π的造波板的激励下，使用普通软质材料作为摩擦起电材料的情况下的静电场特性。
综上所述，根据获取波浪能的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合仿真计算所得结果可分析特定波浪场激励下的静电场特性，研究外球壳和内球体的相对运动规律，仿真模拟球形摩擦纳米发电机在不同工况条件下的输出性能等，本发明的获取波浪能的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合仿真的计算方法用以研究球形摩擦纳米发电机的瞬态输出特性，摒弃了传统的单静电场的静态输出特性研究。本发明的球形摩擦纳米发电机动态输出性能仿真新思路，分析结果对于摩擦纳米发电机的实用化具有重要的意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型：包括确定数值波浪场计算域尺寸，外球壳和内球体的几何形状及相对位置；
步骤S2，确定电极布置类型，建立其几何模型：包括确定电极的数量、位置和形状；
步骤S3，添加物理场；
步骤S4，设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性；
步骤S5，网格划分,划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界，采用自由三角形网格进行网格划分并根据各个物理场的需要进行网格细化；
步骤S6，设置各物理场属性和边界条件；
步骤S7，确定各物理场耦合关系，建立多物理场耦合模型；
步骤S8，流场特性分析：包括数值波浪激励场的振幅和频率分析；
步骤S9，静电场特性分析：包括球形摩擦纳米发电机的电势分布、电极间的开路电压和等效电容的瞬态分析；
步骤S10，球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析：提取静电场分析得到的时域开路电压和等效电容，将其导入电路仿真软件Pspice中进行最优负载匹配分析和输出电能分析；
所述步骤S3中，物理场包括固体力学物理场、层流物理场、相物理场和静电物理场；
所述步骤S6中，在层流物理场中，选择使用包含重力的物理模型，添加一个移动壁，并通过自定义函数定义其运动边界，从而实现推板造波，同时设置一个压力约束点作为压力输出边界；在相物理场中，赋予空气域和水域不同的初始值并设置不同的相场变量，再将水面设置为初始界面；在固体力学物理场中，给外球壳、内球体和电极添加重力属性，添加外球壳和内球体的接触属性；在固体力物理场学中，为了提高仿真计算效率，对外球壳施加一个水平方向的弹簧约束，同时将外球壳作刚体处理；在静电物理场中，在外球壳和内球体的接触表面添加表面电荷密度，并设置一个接地边界。
2.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S1中，在数值波浪场中建立消波区域，在消波区域添加一个固体斜面达到消波的目的,数值波浪场的横向尺寸为3-4个波长，纵向尺寸为3-4个波高。
3.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于:所述步骤S4中，从材料库中添加air、water/liquid到空气域和水域的几何模型，再添加球形摩擦纳米发电机所采用的材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S5中，层流物理场和相物理场使用物理场控制的极细化的自由三角形网格，固体力学物理场和静电物理场使用用户自定义的自由三角形网格，并设置合适的最大单元大小,所有的空气域和水域设置为变形域动网格，并采用Yeoh网格平滑类型。
5.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S7中，多物理场耦合模型存在波浪场和支撑壳体的流固耦合、空气域和水域的二相流耦合、内球体和外球壳的固-固接触以及内球体和外球壳相对运动引起的感应电动势；在二相流耦合中，耦合接口的流体流动设置为层流，移动界面设置为相场，设置流体一和流体二的属性；在流固耦合中，耦合接口的流体设置为层流，结构设置为固体力学，固定几何耦合类型设置为全耦合。
6.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S8中，通过定义探针，获取数值波浪场的波浪幅度和频率。
7.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S9中，通过定义探针，获取静电场的电势分布、电极间的开路电压和等效电容。
8.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法，其特征在于：所述步骤S10中，添加VPWL电压源，在其属性中导入静电场仿真得到的开路电压，再添加一个电容，在其属性中导入静电场仿真得到的等效电容数值，添加一个仿真文件，选择Time Domain；添加一个串联的定值电阻，再添加一个Time Domain的仿真文件，改变电阻值并测量电阻值的功率，得到最优负载阻值。
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