基于涡激振动原理的微型风力发电机结构设计与分析

本科毕业论文彭声强201130510219基于涡激振动原理的微型风力发电机结构设计与分析指导教师文晟讲师学院名称工程学院专业名称机械设计制造及其自动化论文提交日期2015年5月15日论文答辩日期2015年5月16日摘要微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，具有广阔的应用前景，而为其供电的微型发电机也逐渐成为一个重要的研究领域。目前微型发电机主要利用太阳能发电，通过阳光照射到单晶硅光电板，可以达到20的转化效率，产生电能输出，但是，这种转化受到光照条件的限制，因此亟需开发出一种新型的发电方式。而自然界中仍存在多方面的发电途径，例如风力发电、振动发电，而通过对上述两种方式的结合，可启发得到一种通过风能产生振动，然后捕获该振动，利用振动发电原理达到发电目的的方法。该种方法具体是通过钝体扰流产生卡门涡街，然后卡门涡街影响放置于钝体后的压电板，使压电板产生振动，并该涡街频率与压电板的共振频率相近，以使压电板产生共振，从而作出较大范围的形变，再利用压电效应，形变产生电能。由于该种方法处于假设阶段，其实际效果需要进行实验测量才能得出结论，而本方法涉及的流场流动分析实验需要较为精密的实验仪器，难以实现。为此本文的目的是通过使用FLUENT软件对该现象进行模拟并且分析先初步设计一种基于涡激振动原理的微型风力发电机，对该发电机内部流域进行流场分析，通过得出的数据讨论出该发电机的优化结构，从而为日后进一步研究打下基础。关键词微型发电机风振动卡门涡街FLUENT流场分析DESIGNANDANALYSISOFMICROWINDPOWERGENERATORPENGSHENGQIANG（COLLEGEOFENGINEERING,SOUTHCHINAAGRICULTURALUNIVERSITY，GUANGZHOU510642，CHINA）ABSTRACTMEMSISAINTERDISCIPLINARYRESEARCHWHICHDEVELOPEDONTHEBASISOFMICROELECTRONICTECHNIQUE,ANDHASBROADAPPLICATIONPROSPECTSTHUSTHEMICROGENERATORHASGRADUALLYBECOMEANIMPORTANTRESEARCHFIELDNOWTHEMICROGENERATORMAINLYUSESOLARPOWER,THROUGHSUNLIGHTTOMONOCRYSTALLINEPHOTOVOLTAICPANELS,THECONVERSIONEFFICIENCYCANREACH20,GENERATEELECTRICITYOUTPUTHOWEVER,THISTRANSFORMATIONRELISEONLIGHTCONDITIONS,ITISURGENTTODEVELOPANEWWAYOFPOWERGENERATIONANDTHEREARESTILLMANYWAYSTOGENERATEELECTRICITYSUCHASWINDPOWERORVIBRATIONTHROUGHACOMBINATIONOFTHEWINDPOWERANDVIBRATION,ITCANBEINSPIREDVIBRATIONBYTHEWIND,ANDTHENCAPTURETHEVIBRATION,USINGVIBRATIONPRINCIPLETOGENERATEELECTRICITYTHISMETHODISPRODUCEDBYCARMENVORTEXSTREETCARMENVORTEXSTREETAFFECTSTHEPIEZOELECTRICPANELWHICHPLACEDBEHINDTHEBLUFFBODY,THENTHEPIEZOELECTRICPANELVIBRATESWITHTHEPIEZOELECTRICPANELVIBRATES,ITCANGENERATEELECTRICITYBECAUSETHISMETHODISINTHESTAGEOFHYPOTHETICAL,ITSACTUALEFFECTNEEDSTOBEMEASURED,ANDTHEANALYSISOFFLOWFIELDEXPERIMENTNEEDSPRECISELABORATORYINSTRUMENTS,ITISDIFFICULTTOACHIEVETHISPAPERISTHROUGHTHEUSEOFFLUENTSOFTWARETOSIMULATETHEPHENOMENONANDTHENANALYSETHEPHENOMENONFIRST,PRELIMINARYDESIGNTHEMICROWINDPOWERGENERATOR,THENANALYSETHEINTERNALFLOWFLELDOFTHEGENERATOR,THROUGHTHEDATABEHINEWEOPTIMIZETHESTRUCTUREOFTHEGENERATOR,SOASTOLAYTHEFOUNDATIONFORTHEFURTHERRESEARCHKEYWORDSMICROGENERATORWINDVIBRATIONKARMANVORTEXSTREETFLUENTFLOWANALYSISI目录1研究背景及意义111微型机电系统112能量转换现状1121光能发电1122热能发电1123洋流发电1124水力发电1125风力发电2126振动发电2127风力发电和振动发电的启发213研究背景2131涡激振动原理2132压电效应4133FLUENT软件514研究方向与方法62FLUENT参数设置与检验621经典圆柱绕流实验及其模拟方法622微型风力发电机的流域模拟723验证模拟结果8231理论数值验证8232模拟结果的验证1124验证分析所得结论133三圆柱扰流情况的分析与结论1331初始模型尺寸13311吸风口对流域的影响1432初始模型的模拟与分析14321风速1M/S,孔径10MM15322风速2M/S,孔径10MM16II323风速1M/S,孔径5MM17324边孔不对称18325初始模型分析总结1833改进模型的模拟与分析18331改进后的三孔流场18332风速1M/S,孔径10MM19333风速2M/S,孔径10MM20334改进模型的总结2134分析结果总结21341最终流场模型的确定21342模拟结果分析22343模拟结果总结244压电板与质量块的设计2541压电材料2542压电板结构尺寸设计2543共振频率2644质量块设计2745压电板设计总结285微型风力发电机结构的设计2951零部件尺寸2952重要零件参数设计29521吸风口29522钝体30523底板3053FLUENT分析所得重要参数3054最终模型316不足与展望3161精确度不足3162未能分析流固耦合现象3263数值模拟分析的缺陷32III64还没分析的地方32参考文献33附录35致谢40华南农业大学本科生毕业论文成绩评定表11研究背景及意义11微型机电系统MEMS即微机电系统（MICROELECTROMECHANICALSYSTEM），是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。而微型电机系统的使用寿命和价值需要本身所携带的电源的时间所决定，所以微能源已经成为微机电系统领域的一个重要发展方向。微能源主要分为微型发电机和微型电池两个大类。由于微电池需要对电能进行补充，在分布式系统中难以实现，例如应用在山林等覆盖范围较大的用于定位或微型传感等微机电系统，或者在农田信息监测的无线传感系统，在这些应用实践中不断地去为微电池进行充电或更换是需要较高人力或物力成本的，因此研发一种能持续发电供电的微型发电机具有较大意义。12能量转换现状能量无处不在，而电能是当今社会必不可缺的能源，随着社会发展，各类利用自然界中能量发电的发电方法也在不断诞生。121光能发电光能转化是最成熟的技术之一。通过阳光照射到单晶硅光电板，可以达到20的转化效率，产生电能输出，并已应于MEMS静电执行器（买买提艾则孜阿布都热合曼，2006）。但是，这种转化受到光照条件的限制。122热能发电热能是自然界普遍存在的另一种能源。将热电偶放置在热梯度空间中，可将热能转化为电能（田亦凡，2013）。然而，热电转化效率比较低，并且需要较大温差才能发电明显，很难在一般的应用环境中采用。123洋流发电海洋的洋流也是能供能的能量来源，利用波浪和潮汐能量进行发电（J伍德，2003）。但是这些能源都受到其环境和应用场合的限制，并且能够提供的能量都很低，很难满足电子设备的功能要求。124水力发电水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的2位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。125风力发电自然风，即使在最茂盛的山林中，风力也能达到轻风的风力等级（1633M/S）。风无处不在，人们也早就意识到风能的价值。回转式风轮发电机是通过风叶带动转子旋转，转子通过切割磁感线发电（尹民生，2012）。但是对于这种风力发电机而言，需要较高的制造精度和较为频繁的维护，高精度对于大型的风轮发电机而言其精度的数量级不必太小，但对于微型的风轮发电机其精度的数量级将很小，其制造成本是难以接受的。126振动发电振动无处不在，使用压电式发动机捕获振动是其中一种利用振动发电的方式。压电式微型振动式发电机是利用压电效应,通过拾振装置将外部的机械振动转换成电能,可以应用于各种存在微振动的环境中。比较而言,微型振动式发电机更能满足体积更小、重量更轻以及能满足经济、安全与环保性的发电和储能系统等的需求。在振动环境中,质量块带动梁及压电薄膜一起振动,其变形使得压电薄膜的上下表面产生表面电荷,从而在上下两个电极之间产生电势差（许小勇，2010）。但是该发电方法必须有持续振动源才能有较好的发电效益。127风力发电和振动发电的启发对比上述的风能发电和压电式微型发电机，如果能得出一种通过风能来产生振动，然后通过压电式微型发电机捕获振动从而产生电能的发电方式很有意义。而在一定条件下，空气流过某一个障碍物后，会在障碍物后方形成周期性的漩涡；漩涡可影响障碍物后面所的放置的压电材料，使压电材料产生形变，从而达到发电的目的。13研究背景131涡激振动原理空气钝体扰流是流体力学中一种非常重要的现象，并且随时随地都发生在自然界中。自然界中的一切物体均可成为钝体，在一定的条件下，空气流过某钝体时，会在钝体后方形成卡门涡街现象。产生旋涡的原因是流体受阻后动能和压能相互转换，且压强沿钝体周向及边界层的厚度方向发生变化，边界层外部流体的较大压强作用迫使边界层内部压强较小的质点向相反方向流动，从而使边界层增厚，形成旋涡，然后从钝体表面脱离。当一侧旋涡长大脱离时，另一侧的旋涡正在形成并长大，这样交替形成两行旋涡尾流，形似“涡街”（王振东，2010）。通过涡街，可使钝体后的物体被涡街所影响，使该物体受到与脱涡频率相应的交变力。31911年，德国科学家冯卡门开始关注绕流涡旋现象，并且推导出了绕流涡旋稳定性的理论根据。当时冯卡门设计了一个水槽，用来观察圆柱后方的流动分裂情况。但实际的流动情况却与设想不符。他发现水槽中的水流始终存在激烈的摆动，即使经过多次订正，水流仍在摆动。既然存在这样的现象，就必定有内在的客观原因，这时冯卡门用粗略的运算方法，大致计算一下涡旋系的稳定性，并得出初步结论当流体流经非流线型柱体的前方时，质点压力由于柱体的阻碍作用就会从自由流动压力变为停滞压力。而此时流体在柱体前端压力较高，从而促进在柱体的两侧逐渐发展出附面层。在柱体特征长度最宽处，附面层开始向上、下分开，形成剪切层，并在流动中向涡旋的尾部拖曳，这两个自由剪切层就形成了尾流的边界。而剪切层流速不同，最内层比最外层流动慢，最终就会逐渐趋向于形成一个一个的旋转流动，从而在尾流中形成旋涡，如图1所示。为了纪念冯卡门在该领域所作出的贡献，于是把这种现象所造成的旋涡称为卡门涡街。图1尾流涡旋涡旋呈规律性脱落，脱落的频率称为脱涡频率F。已有研究表明，对圆柱绕流，涡街的脱涡频率F与绕流速度成正比，与圆柱体直径D成反比，即/VDFST。ST为斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关。将升力系数进行傅立叶变换后，可得到其脱涡频率，如图2所示。图2脱涡频率4当钝体后方产生脱涡现象后，由于其涡旋的作用，会使后方的物体受到周期性变力的作用。基于这个现象，可在钝体后方放置压电板，压电板会因此受到周期性的变力作用。虽然该涡旋产生的力比较少，但是只要脱涡频率能处于压电板的共振频率之内，涡旋产生的很小的力也能使压电板产生共振，从而达到较大的摆动。这个现象可以从历史上的一个建筑事故得到印证。1940年，美国华盛顿州建造了一座跨度将近九百米的悬索桥，位于塔科玛峡谷。同年11月，峡谷挂了一场风速为19米/秒的风。虽然风速不大，但悬索桥却非常剧烈地扭曲振动，桥面一度摇摆倾斜到45度左右。来回的摇摆使吊杆逐根拉断，最终桥身的钢筋折断，整座桥坍塌、坠落。经多20多年的调查与研究，最后得出的事故原因是塔科玛桥事故是来流的大风流经桥的边墙时，产生了卡门涡街现象；卡门涡街的涡旋交替释放，会在桥身上产生与流动方向垂直的交变力，桥梁在该交变力下产生振动，当涡旋的脱落频率与桥梁共振频率相耦合时，就会发生流固耦合共振，最终使桥倒塌。该现象所隐藏的理论可以作为发电的基础。132压电效应1880年居里兄弟首先在石英晶体上发现了压电效应。压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合，其分为正压电效应和逆压电效应两种，如图3所示（甘国友，2000）。下面分别说明两种压电效应图3正压电效应与逆压电效应1321正压电效应晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上5产生符号相反的电荷。当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态。当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。这种没有电场作用，只是由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应，或简称压电效应。1322逆压电效应当在压电晶体上加一电场时，晶体不仅要产生极化，还要产生应变和应力。这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应，或称电致伸缩效应。1323压电材料利用上述原理，可制造出压电材料。目前已知的压电材料有几十种，早期发现的压电材料主要是石英和电气石等一些单晶材料，以后发现了罗息盐等类铁电体以及一些生物体也具有压电性，不过这些早期的压电材料很难满足工业应用的要求，限制了压电技术的发展。之后是钛酸钡陶瓷的发现促进了压电材料的发展，钛酸钡的压电性随温度和时间的变化比石英晶体大，而压电性又比罗息盐弱，不能满足广泛的应用需求。到目前，PZT系陶瓷几乎已成为大多数压电材料的首选。PZT是PBZRO3和PBTIO3的固溶体，具有钙钛矿型结构。PBTIO3和PBZRO3是铁电体和反铁电体的典型代表，因为ZR和TI属于同一副族，PBTIO3和PBZRO3具有相似的空间点阵形式，但两者的宏观特性却有很大的差异，钛酸铅为铁电体，其居里温度为492，而锆酸铅却是反铁电体，居里温度为232，如此大的差异引起了人们的广泛关注。研究PBTIO3和PBZRO3的固溶体后发现PZT具有比其它铁电体更优良的压电和介电性能，PZT以及掺杂的PZT系列铁电陶瓷成为近些年研究的焦点。基于上述理论，可将压电材料做成压电板，通过对压电板施加外力使其变形并引发压电效应从而达到发电效果。133FLUENT软件基于本文研究的为气流流动的自然现象，在现实中难以观察到实际的数据，并且利用实验仪器检测也需要花费大量的人力物力，另外关于流场模拟，需要对流场进行有限元分析，其计算量是人脑不能完成的，本文的数据来源是基于ANSYS软件里的FLUENT模块模拟后得出的。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，COMPUTERAIDEDDESIGN）软件接口，实现数据的共享和交换，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件（王国峰，2012）。6ANSYS公司基于发展需要，近年来不断整合和并购各类有限元分析软件，FLUENT就是其中一个。FLUENT用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。14研究方向与方法对上述的风力发电与振动发电的结合，可以得出一种通过钝体扰流产生卡门涡街，然后卡门涡街影响放置于钝体后的压电材料制成的压电板，使压电板产生振动，并该脱涡频率在压电板的共振频率之内从而，压电板产生流固耦合共振，并会作出较大范围的形变，再通过正压电效应，利用形变产生持续的电能。本文的目的主要是讨论和设计出一种基于涡激震动原理的微型风力发电机。其主要包括的研究重点是钝体扰流的FLUENT分析、压电板结构设计和发电机的结构设计。本次设计将通过ANSYS软件里面的FLUENT模块对空气钝体扰流现象进行接近现实的模拟与计算，从而得出扰流后钝体后方的气体流动情况与各种数据，并根据得出的结果合理设计该微型风力发电机。2FLUENT参数设置与检验21经典圆柱绕流实验及其模拟方法在很久之前，人们就已经发现并留意绕流现象，开始相关的研究。1912年冯卡门率先深入规律地分析了涡街的形成过程，以及涡街的稳定性，并得出涡系动量之间与尾流阻力的公式。这无疑是圆柱绕流研究的史上第一个里程碑。近年来，随着建筑工程、航空业和流体力学的发展，人们对柱体绕流现象越来越关注，探索圆柱绕流的现象及规律成为实际需要，于是圆柱绕流成为人们研究的重要课题。在绕流领域内发展的几十年里，一般从FLUENT数值模拟和试验研究两方面进行深入的研究。两者各有优缺点，试验研究有能够直接获得最真实有效的数据，把许多不可控因素考虑囊括在内，从而得到最接近实际情况的模拟。但受实验设备或模拟情况较苛刻等因素限制，许多情况下并无法进行试验。而FLUENT数值模拟则很好的弥补了这一缺点。近几年在计算机硬件技术的迅猛发展，软件水平的不断提高，FLUENT数值计算被越来越多的科研工作者所掌握和实践。数值计算结果和试验结果的相互验证，推动和促进了两方面的发展。目前，钝7体绕流的研究大多针对单圆柱绕流方面。另外实际的三维流动相当复杂，大多数三维流动研究很大程度依靠试验。基于本实验的情况和综合上述现状的考虑，本实验的钝体扰流模拟和后续分析均将通过FLUENT软件来进行，并且由于三维流动的复杂性，微型发电机流域的三维模拟将简化为二维模拟。22微型风力发电机的流域模拟为了能更好进行后续的模拟，需要先建立该微型风力发电机的模型，并且设置好相关尺寸，方便后续讨论。该微型风力发电机的发电原理是气流流过垂直放置的圆柱，然后在圆柱后方形成卡门涡街；在圆柱后方一定距离放置垂直的压电板，卡门涡街影响压电板使其产生左右摆动，摆动后产生的电能通过电源收集装置收集，达到发电的目的。考虑到该发电机为微型发电机，所以尺寸的数量级不能太大，初步定在120MM130MM100MM的大小；考虑到为了能让更多的气流进入发电机，所以在发电机进风口处设置较大面积的吸风口；在进风口后放置钝体，初步将钝体设置直径为10MM的圆柱；圆柱后方放置压电板；如图4所示。图4微型风力发电机初步模型通过机体模型，可以得到要进行分析的流域。将模型导入到FLUENT的GEOMETRY建模模块，并在模块里进行布尔相减运算，可得出三维的流域，如图5所示。考虑到三维的ANSYS分析需要较长的分析时间和较高要求的计算机硬件，本次实验的数据分析都是以二维代替三维，二维的流域如图6所示。8图5三维流场图6二维流场23验证模拟结果231理论数值验证由于FLUENT可模拟大多数流体的流动状况，于是对于不同流体，不同流动方式等情况都需要对参数准确设置，下面将讨论有关重要参数的设置，而参数设置的两个重要参考理论数值分别是雷诺数和斯特劳尔系数。2311雷诺数RE数（雷诺数）以英国工程师雷诺（OREYNOLDS）命名，是流体力学中常用的最重要的相似准则数，一般与粘性流动有关的模型实验或计算都必须考虑RE数（YUSMOSTIKA，1999）。RE数是惯性力与粘性力之比VLRE1上式中L为物体特征长度，如对于圆柱绕流，则取圆柱直径；对于钝体绕流，取为绕流截面的宽度；V为特征速度，取绕流中的平均速度；为运动粘性系数，与流体的本身性质有关，主要受温度影响；为流体密度。标准大气压下雷诺数公式里的各参数数值如下（轻风风速等级）V2M/SL001M129KG/M318105PA/S通过上式可得出在风速为2M/S，圆柱钝体直径为10MM时候，雷诺数RE1434。该雷诺数可用于判定FLUENT模拟时将使用层流还是湍流模型。9部分资料显示，在圆形管内流动时，当雷诺数RE4000时流体为湍流，而在23001500时流体为湍流，而在1000RE1500时为过渡情况。对于本次实验，雷诺数会随着气流的流速而改变。当风速为2M/S，圆柱钝体直径为10MM时候，雷诺数RE1434，该数值与上述的过渡情况的数值十分接近，于是只有通过多次模拟来探究究竟选用层流模型还是湍流模型。2312斯特劳哈尔系数旋涡的释放频率，即脱涡频率，与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用下式表示DVSTF2式中F为旋涡的脱落频率，单位为HZ；V为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为M/S；D为旋涡发生体特征宽度，单位为M；ST为斯特劳哈尔数（STROUHALNUMBER），无量纲，它的数值范围为014027。该脱涡频率也将影响到后续压电板的共振频率设计，并且该参数也可作为检查FLUENT有关设置是否合理的判定基准。2313结果与理论数值的对比为此，本次模拟设置了4种不同风速和2种不同孔径进行模拟，并且优先选用湍流模型（KEPSILION）进行模拟。在进行初步运算后，该参数设置下的模型均能模拟出类似于如图7所示的速度云图与如图8所示的升力系数变化曲线，该结果基本符合卡门涡街的脱涡规律图7脱涡速度云图图8升力系数变化曲线10以下是几种参数下得出的频率图与列表统计表1各流速孔径下脱涡参数统计流速（M/S）孔径MM雷诺数RE频率HZ斯塔哈劳尔系数ST图号1535860约03图911071730约03图10210143460约03图112510179275约03图12图9流速1M/S、孔径5MM时频率图10流速1M/S、孔径10MM时频率图11流速2M/S、孔径10MM时频率图12流速25M/S、孔径10MM时频率11由对上述数据可得，所得的脱涡频率与气流流速成正比，与圆柱钝体的孔径成反比，基本与理论相符。但得出的斯特劳哈尔数系数与理论值有一定偏差，03的斯特劳哈尔系数与027的理论最大值还存在10的偏差，不过在可接受的误差范围内，之后的模拟与分析将采用上述参数设置。232模拟结果的验证2321FLUENT模拟结果分析基于FLUENT的功能特点，其众多的参数设置均会对实验结果产生影响，为此需要先对钝体扰流里最基本的大涡模拟进行理论数据与FLUENT分析结果数据的对比，验证FLUENT模拟数据结果的可信度。以下是二维流场，单孔大涡模拟的参数截图。分别是检测的残差收敛图13、流速云图14、升力系数图15、阻力系数图16。图13残差收敛图图14流速云图图15升力系数图图16阻力系数图12由图13可见，该模拟结果的残差达到了0001的数量等级，符合残差数量级标准；由图14可见，气流流过圆柱后在圆柱后方形成了清晰可见的卡门涡街；图15、图16分别表示了该圆柱受到的升力系数与阻力系数，该系数成周期性摆动，符合脱涡理论。可以认为该模型模拟出的结果符合实际情况，可在后续实验中使用。2322二维模型与三维模型模拟结果分析本实验将用二维流场代替三维流场来进行微型风力发电机内部气流的流场分析，三维流场的流动较为复杂，对于钝体扰流的情况是否在三维流场与二维流场具有相同的效应，并且相关重要指标是否一致，这也需要进行验证。而对于本实验的微型风力发电机，最重要的一项指标就是脱涡频率，这影响大发电机是否能正常工作。下面给出实验所得的两种流场在流速为1M/S，钝体为10MM圆柱时的压力云图和频率图图17为二维速度云图，图18为三维速度云图；图19为二维脱涡频率图，图20为三维脱涡频率图。图17二维速度云图图18三维速度云图图19二维脱涡频率图图20三维脱涡频率图13由上图可见，二维流场与三维流场的脱涡效应基本一致；对比二维流场与三维流场的脱涡频率图，其最高频率也处于约为32HZ左右的水平。于是可得出在进行三维钝体扰流模拟时，其脱涡频率可通过与其相对应的二维流场得到。24验证分析所得结论经过上述分析，可推定本次实验的流场将采用FLUENT的分离求解器求解，采用KEPSILION模型。动量方程中速度和压力采用SIMPLE算法解决；压力插值采用STANDARD格式，采用二阶迎风格式以减少数值耗散。计算流程为柱体时刻固定，进行流场计算，得到速度场、压力场以及流体作用在柱体上的升力系数CLT；通过设置监测点检测压强大小，监测点为各钝体圆柱的圆柱面；通过对监测点进行FFT运算，得出脱涡频率；通过对脱涡云图的分析，得出有关涡旋的运动规律。二维流场与三维流场的脱涡效果基本一致，可以用二维流场模拟三维流场。3三圆柱扰流情况的分析与结论31初始模型尺寸在初步设计微型风力发电机时，本实验设计的发电机内流场的基本尺寸为120MM130MM100MM的长方体形状。其二维投影即为120MM130MM的长方体流域，加上前面所述的吸风口，其二维流场模型的尺寸如图21图21二维流场模型14311吸风口对流域的影响由于在进风口前方增加了吸风口，吸风口对流场也一定会有影响的，下面分析该设计造成的影响。图22为增加吸风口以后流场的速度云图，通过该图可看出，在增加吸风口之后流场内流速受影响的主要是两边侧壁附近的地方，中间大部分区域并未受到较大影响，该部分可放置圆柱钝体。另外可看出由于吸风口斜面的影响，在吸风口与进风口连接处的后端有一小部分区域流速有受到影响，为了减少该因素对扰流产生影响，钝体将放置在被影响区域的后方，具体的位置经过测量约为进风口往后30MM。图22速度云图基于本进风口的尺寸为120MM，而由前面所述单孔实验中的脱涡云图22可看出，气流差生脱涡后其产生的漩涡直径比圆柱大，而且会在圆柱后方的两侧均有分布，可推想当圆柱不止一根时其后方的漩涡将相互影响。考虑到发电效率的问题，一根圆柱产生一列涡街的发电效率并不高，能量密度不能很好被利用，于是综合上诉的几个因素，本次实验将设置三根圆柱，一根位于流场中间，另外两根位于两边对称分布，圆柱的直径设置两种规格，分别为10MM和5MM。32初始模型的模拟与分析在对模型进行定义后，将对模型进行加载与运算，下面是不同流速、不同孔径情况下的脱涡情况分析。进行布尔运相减算之后，中间圆柱对应产生中孔，另外两根圆柱对应边孔。在中孔与边孔设置压力监测点。15321风速1M/S,孔径10MM图23为当风速为1M/S，孔径为10MM时流场的速度云图，由图23可见，边孔的后方出现了卡门涡街，而中孔后方却没有明显的卡门涡街现象，对此，需要查看相关的孔所对应的频率，看是否得到同样的结论。图23风速1M/S、孔径10MM速度云图通过查看频率图，其结果如下图24为边孔的频率图，图25为中孔的频率图。频率图显示的结果与云图表示出的结果基本一致，中孔没有检测到明显频率。图24边孔频率图图25中孔频率图为此需要进一步分析，探究是否因风速或者孔径的影响而导致上述结果的出现16322风速2M/S,孔径10MM图26为当风速为2M/S，孔径为10MM时流场的速度云图。由图可见，边孔的后方出现了卡门涡街，而中间孔后方此次有微弱的卡门涡街现象，对此，也需要查看相关的孔所对应的频率。图26风速2M/S、孔径10MM速度云图通过查看频率图，其结果如下图27为边孔的频率图，图28为中孔的频率图。频率图显示的结果与流速为1M/S孔径为10MM时的基本一致，中孔没有检测到明显频率。图27边孔频率图图28中孔频率图通过上述两个实验，可排除流速因素对脱涡的影响，下面的实验将改变孔径，看孔径是否是影响脱涡现象的因素。17323风速1M/S,孔径5MM图29为当风速为1M/S，孔径为5MM时流场的速度云图，由图可见，边孔的后方出现了卡门涡街，而中间孔后方也出现了比较明显的卡门涡街，之后查看相关的孔所对应的频率。图29风速1M/S、孔径5MM速度云图通过查看频率图，其结果如下图30为边孔的频率图，图31为中孔的频率图。可见该实验中边孔和中孔的脱涡频率均约为60左右，边孔和中孔后方的脱涡情况符合卡门涡街理论。图30边孔频率图图31中孔频率图18324边孔不对称另外考虑到前面讨论的吸风口会导致靠近侧面部分的气流流动较为不规律，这个也是会影响到脱涡结果的因素，于是设计多一个实验。本次实验是当风速为1M/S，孔径为10MM，不过边孔并不对称分布，而是一边孔距离侧面20MM，另一边孔距离侧面30MM。结果由图32可见，距离30MM边孔的后方出现了卡门涡街，而距离侧面20MM的边孔后方没有出现卡门涡街，可见离侧面的距离也是需要考量的因素之一。图32边孔不对称时速度云图325初始模型分析总结综合上述四个实验，可得出在初始尺寸下的模型由于进口尺寸（120MM）相对于圆柱钝体尺寸（10MM）的比例较少，这样的设计会使中孔的后方不能产生卡门涡街，这样会影响发电效率和能量的利用率；边孔距离侧面的距离也是需要考量的一个因素；另外孔径较大会得到较为理想的卡门涡街，于是必须改变初步模型的尺寸大小。33改进模型的模拟与分析331改进后的三孔流场在考量了上述几个因素之后，决定改变进风口的尺寸为180MM，孔径设计为10MM，边孔距离侧面30MM，其尺寸如图33所示。19图33改进后的三孔流场332风速1M/S,孔径10MM对模型进行修改后，对模型进行下一步分析。当风速为1M/S，孔径为10MM时流场的速度云图，由图34可见。可见边孔的后方出现了卡门涡街，而中间孔后方也出现了比较明显的卡门涡街，对此，查看相关的孔所对应的频率。图34风速1M/S、孔径10MM速度云图通过查看频率图，图35为边孔的频率图，图36为中孔的频率图。可见该实验中边孔和中孔的脱涡频率均约为30左右，边孔和中孔后方的脱涡情况符合卡门涡街理论。20图35中孔频率图36边孔频率上述的实验与比之前的实验可证实，进风口与孔径的比例关系会影响到钝体后方的卡门涡街的产生。为了验证该推测的准确性，将在进行另外一次实验。333风速2M/S,孔径10MM本次实验室是当风速为2M/S，孔径为10MM时流场的速度云图，由图37可见，边孔的后方出现了卡门涡街，而中间孔后方也出现了比较明显的卡门涡街，另外孔所对应的频率图也与前一实验结果一致，图38为边孔对应频率，图39为中孔对应频率。图37风速2M/S、孔径10MM速度云图21图38中孔频率图39边孔频率334改进模型的总结上述的实验很好地证实了推测的正确性，进风口与圆柱直径的比例关系会影响到钝体后方的卡门涡街的产生。可推论具体的原因是卡门涡街具有一点的宽度，当两道涡街重叠后，相互间会产生干扰而影响产生的漩涡，漩涡被破坏而不能在后方产生周期性的摆动从而不能检测到频率。而这个周期性的摆动是本发电机所必须的因素，所以必须避免该因素的影响，合理设计发电机的尺寸。34分析结果总结341最终流场模型的确定经过上诉讨论，较为理想的流场模型如图40所示，而该流场模型也将决定该微型风力发电机的最终尺寸进风口180MM，孔径10MM，孔距离进风口30MM，孔距离侧面30MM，设置三个10MM的孔。图40最终三孔流场22342模拟结果分析3421频率分析在本文前面所讨论的曾经引用过频率计算公式DVSTF3在前面也论述了几种流速和孔径下得出的频率表2流速、孔径与频率关系由上述数据可得出，三圆柱并排时，频率公式里面的斯特哈劳尔系数约为03，根据该系数可计算出在最终模型里面的脱涡频率。而理论的计算出在最终模型里风速为1M/S和孔径为10MM是频率为30，这与检测到的结果，如图41所示，一致。图41频率图流速（M/S）孔径MM频率HZ斯特哈劳尔系数ST1560约0311030约0321060约03251075约0323于是可得到本实验的频率计算公式DVF304结合最终模型设定的孔径为10MM，本微型风力发电机所产生的脱涡频率可通过公式得出，为30F53422压力分析通过分别检测边孔和中孔的压强变化，可以得出压强与时间的变化曲线，图42为边孔的压力变化曲线，图43为中孔的压力变化曲线图42边孔压力变化曲线图43中孔压力变化曲线可得，在经过015秒之后，气流对圆柱的压强将出现周期的变化，可推导出产生的漩涡压强也符合该曲线的变化规律，可利用该脱涡产生的卡门涡街进行发电。3423圆柱后压强分布分析气流流过钝体产生卡门涡街后，通过观察可看到在钝体后方的一小段距离并没有产生漩涡，而是出于低压状态；而在圆柱后超过一段距离后，其漩涡现象也会渐渐削减；上述的两个区域都不利于发电，必须讨论出一个较为理想的位置来放置压电板，从而达到较好的发电效率。通过对三维流场的分析后，其实际的状况也符合上述分析，可以通过该流速分布图44来讨论出压电板的合理放置位置。得出在圆柱后方70MM处的压强较为合适，该位置24也将作为压电板的放置位置。图44三维流场速度云图343模拟结果总结经过上述实验可得出几个结论吸风口的设置会影响流场的流动状况，但并不会对流场产生很大的影响，为了提高发电效率，可在进风口前面加上吸风口；圆柱钝体直径与进风口长度的比例会影响卡门涡街的产生，因此圆柱之间必须留有一定的距离，最后将进风口设计在160MM，圆柱直径设计在10MM，设置三根圆柱，圆柱的圆心间距离为60MM；由于吸风口的影响，圆柱必须设置在进风口后面的一定距离，同时也要与侧面保持一定距离，经分析设置在进风口后方30MM处；脱涡频率与风速成正比，与圆柱直径成反比，因为孔径已经确定，可得频率与速度的比例关系为30F5压电板需放置在圆柱后方70MM处有较高的发电效率。4压电板与质量块的设计41压电材料用于发电的压电材料，其类型对发电机的功能、性能起着主要的作用。压电陶瓷是当今最有可为的发电材料，在换能器中有着广泛的应用。压电式自供能装置利用正压电效应使环境中的机械能转换为电能，其内部换能器件一压电陶瓷的选择应具有良好的接25受性能即使机械能转换为电能。经过查阅资料得出PZT5系列压电陶瓷最适合用来做压电悬臂梁发电装置的压电材料，压电板的压电材料将选用选PZT51压电陶瓷（王军龙，2010）。压电板基板选用青铜，相对于其他金属材料，它具有弹性好，同样条件下能产生变形大，并且具有高强度、高硬度、高导电性、高弹性、耐磨、耐疲劳、抗腐蚀性及弹性滞后小等特点（王军龙，2010）。42压电板结构尺寸设计压电板的设计如图45所示图45压电板设计图具体的结构尺寸为压电板长80MM，其中涂有压电材料的部分长70MM，宽20MM，突出的镶嵌质量块的位置长7MM，用于插在压电板插座上的部分长3MM；中间的铜板厚度为1MM，压电材料涂层两边各厚03MM，如图46所示。图46压电板尺寸图2643共振频率当一个装置成型时，它本身发生的振动频率是固定的，这一频率就是固有频率。比如一个单摆做好后，他的振动频率等于212）（GL，L是单摆的长度，G是重力加速度，所以这个单摆的振幅无论多大，加在下面的东西多重，只要是没有外界的干扰，都以一个频率振动（共振频率）。而当我们用一个周期的力推这个单摆时，会发现，单摆的振幅是和这个力的频率有关的，只有这个力的频率和单摆的共振频率相同时，振幅才最大，而这时就发生了共振现象。相应的频率共振频率。换句话讲，共振频率是指发生共振现象时的频率。共振频率是某种物质特有的固定振动频率。我们知道，每种物质都会振动。但因为物质中微观粒子的差异性，每种物质的频率都不同。物质在一定频率的外力作用下会以该外力的频率振动，在物理学上叫受迫振动。但因为会消耗能量，所以受迫振动的振幅会变小。当外力的频率与物质的共振频率相同时，振幅会达到最大。也就是发生了共震。根据该理论，可通过将压电板的频率设计在涡街频率范围内，使压电板产生共振。经过上诉实验后，可得在该风力微型发电机的尺寸设计下，卡门涡激的脱涡频率与气流速度间的比例关系为30F5为了达到较高的发电效率，需结合涡街频率来合理设计压电板的结构，具体的方式是在压电板的一个末端设置质量块。由于压电板将有一端固定，另一末端设置不同质量的质量块可改变压电板的共振频率，达到上述目的。44质量块设计下面通过引入一个基础加速度来推导压电板的共振频率。为计算方便，可将压电板看成悬臂梁，如图47所示。悬臂梁的轴向为X方向，基础加速度为TY，悬臂梁与质量块连接点的挠度为1TZ，质量块质心挠度为TZ，悬臂梁与质量块的长度分别为BL和ML，上、下压电层的厚度均为CT，中间金属层厚度为SHT，悬臂梁宽度为W，质量块质量为M。由于质量块厚度远大于悬臂梁厚度，质量块自身变形相对很小，这里忽略质量块变形，将其简化为一个理想刚性体，此时质量块的转角与悬臂梁自由端的转角相同（贺学锋，2011）。27图47压电板悬臂梁模型质量块的质量远大于梁的质量，因此下面忽略梁本身受到的惯性力，只计入质量块受到的惯性力。悬臂梁在任一截面处受到的弯矩为50MTBXLLZYMXM6将上式带入梁挠度方程IYXMXDZDCT/22（贺学锋，2011），积分可得悬臂梁自由端BLX的挠度1TZ和转角1T，质量块质心挠度为悬臂梁自由端挠度加上质量块转动引起的位移，小变形情况下的质量块质心挠度为42321Z2311BMBMBLLLLLIYZYMLZCM7由上式得到质量块的运动微分方程2251326ZYZLLLLMLYMMBBBCI8对于上式的运动方程，其无阻尼频率为513262122MMBBBCLLLLMLIYF9根据该频率公式可计算质量块的尺寸与放置的位置。根据前面的设计，压电分为压电材料涂层区和质量块镶嵌区。于是可得BL70MM，ML7MM，由风速频率公式30F528设定在轻风风力等级情况下，风速为2M/S，可得脱涡频率为60HZ。将上述已知数据代入压电板的无阻尼频率公式中可得理想的质量块质量约为4G。质量块的材料选用钨，其密度为193G/CM3，质量块中间被挖空一条槽用于镶嵌在压电板上，长20MM，宽4MM，厚3MM，所以最终计算所得的质量块尺寸如图48所示图48质量块尺寸图45压电板设计总结以上便是压电板与质量块的设计，设计的重点在于计算质量块的质量对压电板整体的共振频率的影响，由于该频率是根据风速为2M/S的情况而得出的，在不同的风速情况下可取不同的质量块，使压电板频率与脱涡频率相适应。5微型风力发电机结构的设计51零部件尺寸经过上述讨论，下面给出微型风力发电机机身部分重要零件的尺寸与设计要点。表3重要零件尺寸与设计要点零件主要尺寸（MM）备注吸风口前口300100后口180100前后距离100壁厚10后口侧壁设置中间55的凸槽，用于安装在侧板身上，底板设置55的缺口槽，用于定位。胶圈直径10、厚3用于放置在钝体孔里使钝体固定不动。29底板21013010上半面上设置钝体孔与压电板插座的凹槽，底部设置若干孔用于将来的发电机整体的固定，设置一凹槽用于将吸风口固定。顶板21013010与顶板对应设置钝体孔侧板11013010设置有凹槽用于安装吸风口压电板插座10010010设置三个压电板插孔备注几个重要零件的尺寸将在附件中的零件图中给出。52重要零件参数设计521吸风口吸风口作用是增加能量利用密度，初步设计其倾斜角为45度，吸风口制造精度不用太高，可通过使用工程塑料聚碳酸酯注塑成型的方法加工得到，其表面无毛刺即可。另外后续设计还可将吸风口改为可随风速改变开口大小的形式，通过开口的大小来适应不同风速情况，使风机长期处于发电状态。522钝体风机选用10MM直径的圆柱钝体用于产生卡门涡街。卡门涡街的产生会受到钝体的形状、尺寸等影响，另外钝体表面的粗糙度也是需要注重的一个方面。为了能更理想地产生涡街，钝体表面需要较为光滑。钝体材料可选用金属或工程塑料成型。使用金属材料的话需要对其表面进行精加工；使用压塑成型可满足其表面粗糙度的要求，并且加工成本较低；于是选用工程塑料。523底板底板主要用于安装钝体和压电板插座，另外底板还用于将整个发电机固定在支架上，所以还需要在其底部设计几个用于固定的定位孔。底板材料使用亚克力板即可。亚克力板材料易得，其特点满足本发电机的使用要求，另外对其加工也较为简单。板块形状可通过切割成型得到，板块内螺栓孔和定位孔钻孔成型即可。底板工程图如图49所示。30图49底板工程图53FLUENT分析所得重要参数通过前文部分的FLUENT分析，得出了几个与发电效率相关的参数设置，数据如表4所示。表4重要距离参数参数项目尺寸（MM）备注钝体与进风口距离30该距离可减少吸风口对脱涡的影响钝体与钝体间距60钝体间距足够大能防止涡街相互影响压电板与钝体间距70钝体后方70M处漩涡形状较为理想，压力合适放置压电板54最终模型最终模型的三维形状如图50所示。发电流域尺寸为180MM130MM100MM，设置331个直径为10MM的圆柱钝体，在每个钝体后方设置一块压电板。钝体横向间距为60MM，钝体距离进风口30MM，压电板在钝体后方70MM处。结构部件包括吸风口、底板、顶板、侧板、压电板插座、钝体、压电板、质量块、胶圈。图50最终模型6不足与展望61精确度不足本次实验主要采用FLUENT数值模拟，软件本身的算法及精度决定了其在模拟结果上不可避免的具有一定误差。其结果精度也受模型精度、网格密度、收敛值、迭宕参数等许多因素影响。有时模拟结果与实际情况误差甚至高达25。根据经验，模拟结果误差在520都是可接受的范围内。但可以肯定模拟结果与实际情况具有不小的误差。需要通过实验来验证。62未能分析流固耦合现象钝体扰流在实际情况中其实存在更为复杂的流动情况流固耦合现象，它是由流体力学与固体力学交叉生成新的一门学问流固耦合力学，其最重要特征是流体与变形固体之间会有相互作用力，并互相影响结果。在流体载荷作用下固体会产生运动或形变，而该运动或形变又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，于是在这种相互作用下产生各种各样的流固耦合现象。而本实验钝体后的卡门涡街作用于压电板，而压电板也由于涡街的作用会产生形变并且会反作用于涡街，该现象也的确会存在，并对最终的实验结果产生一定的影响。但32本次研究因本人知识的不全面和时间有限，未能成功模拟流固耦合现象，未能进行更进一步的探讨，不能充分考虑流固耦合带来的影响，是非常遗憾的一点。63数值模拟分析的缺陷本次实验的一切实验基础都是建立在理论基础之上，并没有