三稳态驰振能量捕获器动力学特性研究

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随着资源枯竭的日益严峻以及微电原件的发展,寻找一种清洁能源为其供电成为现在的研究热门。自然界中有着丰富的水资源没到流体通过钝体时,会在其尾部产生涡旋诱发钝体产生振动,驰振是一种常见的流致振动现象,且分为横流驰振与尾流驰振两种常见的振动。目前已有将驰振能量收集利用的先例,其中以悬臂梁-压电片耦合方式居多,但其大多为单稳态和双稳态悬臂梁系统,其起振流速大,能量利用效率较低,本文从提高驰振能量捕获器的发电效率出发,引入磁铁-悬臂梁耦合三稳态系统,提出了一种三稳态横流驰振能量捕获器与三稳态尾流驰振能量捕获器,并研究了三稳态系统变化对其发电性能的影响,主要研究工作如下:简化三稳态横流驰振模型并进行动力学建模,对其进行归一化处理。通过静态分岔分析论证了三稳态系统平衡点的稳定性;研究通过改变三稳态系统参数,得到其存在区域以及参数取值的临界范围,并对其存在区域进行了三种阱深情况的划分;研究了三稳态系统参数变化对平衡点的影响,在固定β值的情况下,得到μ值变化与γ值变化对平衡点影响的变化趋势。对比了双稳态系统与三稳态系统的特性,并研究了两种系统对横流驰振振幅特性与发电特性的影响,得到了三稳态系统平衡点较宽,阱深较浅,且更容易在较低流速下起振,且发电性能更高;研究了三稳态系统参数单个变化时对横流驰振振幅比、动力学响应、发电性能的影响,得到三稳态系统在三个阱深相等时,系统更容易发生阱间运动,发电性能更好;研究等平衡点不同阱深对三稳态横流驰振系统的响应,得到β值越小,其对应等阱深系统阱深越低,开口度越大,且低阱深下,三稳态横流驰振系统起振流速更低,发电性能更优;研究等阱深不同平衡点对三稳态横流驰振系统的响应,得到对应相同阱深下,β值越小平衡点越宽,且平衡点改变对两侧势阱开口度影响不大,宽平衡点系统可以使阻流体产生的振幅更大,发电性能更优。简化了三稳态尾流驰振模型并进行动力学建模,对其进行归一化。引入相同的三稳态参数,从振幅比、动力学响应、发电性能对比了尾流驰振与横流驰振的响应差别,得到尾流驰振存在有效工作带宽,且尾流驰振适合低流速工作场合发电,高流速下驰振发电效率更高;研究等平衡点不同势阱深度三稳态系统对尾流驰振的响应,验证了三稳态系统对伏能器发电性能影响的普适性;研究等阱深不同平衡点三稳态系统对横流驰振的响应,验证了三稳态系统对伏能器发电性能影响的普适性,为其他类型的伏能器研究提供参考。
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