驰振和涡激振动是比较典型的且有能量利用先例的两类流致振动现象,其在空气动力学、水动力学及海洋动力学中均有涉及。压电俘能器是一种可将流致振动能利用的新型发电装置,具有现实研究价值。分布参数模型能够用于描述压电俘能器的动力学特性,并可用于预估其性能。目前压电俘能器分布参数模型的研究已经积累了一定的成果,但是模型中的很多非线性问题还不明确,现有的模型更多的侧重于风能获取的研究,并不适用于研究低速水流能的提取。为此,本文围绕驰振和涡激振动压电俘能器,针对压电俘能器分布参数模型中未考虑悬臂梁几何非线性、具有电感-电阻电路的压电俘能器解析解非线性边界不明确、水流能量采集特性不明的问题,开展了压电俘能器分布参数模型非线性分析以及明渠流水槽实验的研究。研究内容主要有:(1)利用扩展的哈密顿方程提出了一种考虑悬臂梁几何非线性的新型分布参数模型,应用机电解耦的方法简化了模型,并基于简化的模型研究了结构尺寸对悬臂梁式压电俘能器性能的影响;研究结果表明在较高风速下几何非线性对位移和采集功率影响较大,模态坐标速度随几何参数的变化较小,功率随这些参数的变化可由电阻尼近似预测,位移随这些参数的变化与修正频率相反;对于功率大、位移小的情况,首选较厚的压电层完全覆盖较短较厚的悬臂梁层,对于较高的功率密度和较小的位移,以采用较薄的压电层覆盖较厚的悬臂梁层为宜。(2)对于具有电感-电阻电路的驰振压电俘能器,简要推导了分布参数模型,应用机电解耦的方法,分别得到了电感-电阻串联、电感-电阻并联电路的压电俘能器电阻尼和修正频率的表达式,通过计算得到了电阻尼对应的Hopf分岔(EDHB),发现其随风速呈线性增加,当电阻尼小于EDHB时会发生驰振;为了分析电路对系统Hopf分岔的影响,将电感对应的Hopf分岔作为负载电阻和EDHB的函数,以此确定了电感和修正频率随风速变化的稳定区和驰振区,发现其与负载电阻有很强的联系,串联小负载电阻的Hopf分岔与并联大负载电阻的Hopf分岔类似,反之亦然;通过时域图、相位图和频谱图,比较了小初始条件和大初始条件所得的结果,结果表明大的初始条件对应于大的电阻尼,而小的初始条件与小的电阻尼有关,这是由于大的电阻尼更难激发造成的。(3)在明渠流水槽中做了低速水流压电俘能器功率采集实验,首先研究了圆柱和正三棱柱压电俘能器采集功率随电阻的变化,研究发现在小流速下,仅承受涡激振动(VIV)力的圆柱比正三棱柱表现出更好的功率特性,随着流速的增加,三棱柱在低速驰振力作用下超过了圆柱,除了流固耦合外,机电耦合也影响系统的阻尼,因此负载电阻在功率采集中起着重要的作用;研究了不同截面形状质量块的压电俘能器采集功率随流速的变化,发现对于相同质量、相同流向投影面的质量块,半圆柱所采集的功率明显优于其他的形状;研究了圆柱尾流作用下的圆柱、半圆柱压电俘能器采集功率,发现采集功率都是随着流速的增加而增加,半圆柱压电俘能器在小的约化距离下可获得大的能量,圆柱压电俘能器在大的约化距离采集功率超过了半圆柱压电俘能器。(4)研究了低速水流作用下基于涡激振动(VIV)和驰振的压电俘能器,提出了三种不同质量块的悬臂梁式压电俘能器分段分布参数模型;在模型中应用改进的Van der Pol模型模拟了圆柱体的VIV水动力,用准稳态假设得到了三棱柱和半圆柱的驰振水动力,在水动力的计算过程中,考虑了附加质量项的影响;推导了 VIV模型和驰振模型采集功率的解析解,应用了明渠流水槽实验结果验证了理论模型的准确性;之后,预估了压电俘能器的性能,研究表明驰振压电俘能器的性能优于VIV压电俘能器,驰振模型中的线性水动力系数与三次水动力系数的比值是采集功率的关键。