在化石能源利用和环境问题的冲突之下,风能因其蕴含量大、分布广、可再生、无污染等自身优势而被视为一种普遍性的清洁能源,而且世界各国对此类问题的不断深入使得该类技术不断发展;压电能量采集器作为一种新型自供能设备可以容易的将环境中的可再生清洁能源(风能、水能等)转化为电能,而且这种装置凭借寿命长、体积小、不受地域限制、功率密度高的特点,在新能源开发中体现出显著的优势。本文主要对驰振型悬臂梁式压电风能采集器的换能部件进行了气动力性能设计,并采用风洞实验、数值模拟等对其进行对比研究;主要内容包括:(1)针对正方形能量采集器输出功率弱的问题,进行了质量块结构从正方形到三角形再到漏斗形的拓扑等效气动力结构设计。正方形后表面引起的再附着现象致使侧向力出现脉动,甚至削弱振幅,通过合并后侧端点且适当增加尺寸比用来协调涡的脱落和降低压差阻力;在三角形的基础上,使近迎风面的两侧对称点向内凹形成漏斗形以实现侧向力和升力的同向且增强结构非流线性。(2)基于驰振型悬臂梁式压电能量采集器,首先通过Hamilton原理和Gauss定律分别建立系统机械控制方程和电控制方程,并对质量块振动过程中的驰振气动力进行了计算;引入Galerkin离散法对机、电控制方程进行整体降阶;再利用等效结构法实现机械效应到电效应的等效代替对控制方程解耦合并,最终得到系统起振风速和输出功率密度的解析解以实现不同参数对系统性能影响的预测。(3)利用数值模拟和风洞实验对所设计质量块进行了性能测试,同时对所建数学模型进行验证。通过数值模拟发现漏斗形、三角形和正方形质量块的升力系数分别为6、4、0.8;而且从压力云图和流速云图中可以看出漏斗形质量块的脱落涡的强度和两侧压差最大,其次是三角形,正方形的最差。从风洞实验的结果来看,漏斗形、三角形和正方形质量块的起振风速分别为7m/s,9m/s和13m/s,漏斗形的最大输出功率密度分别是三角形和正方形的2倍、11倍,其中漏斗形能量采集器具有采集风速范围更广、功率密度更大、系统输出电压幅值和频率更稳定的特点,采集性能最佳;(4)由于模型解和实验值之间的高度吻合,通过所建模型分析了外载电阻、质量块质量和长度、悬臂梁厚度以及系统电阻尼对系统起振风速和输出功率密度的影响。研究结果表明:无论参数值如何变化,不同能量采集器总保持一定的优劣次序,该次序和实验结果一致;在最优电阻尼下,它们的输出功率密度依次为3.9631 mW/cm3、1.8909 mW/cm3和0.2203 mW/cm3。不同质量块能量采集器的最优电阻值几乎相同,但是功率密度和起振风速的变化趋势随质量块质量和长度变化相反,对于最优采集器的设计需要进行参数的权衡。