摘要
压电俘能具有易于制作、轻小低噪、应用场合广泛、绿色环保等优点，能有效解决因电池储供电造成的环境污染和温室效应等一系列问题，具有很好的发展和应用前景。本文通过对压电俘能器在尾流激励作用下的俘能特性及规律进行研究，以研制出一款高效、宽频带、易于制作的水下压电俘能器，可从环境中获取能量，实现为微电子器件的持续供能。 首先，本文基于材料力学、机械振动学、压电学等多学科理论，建立了基于尾流激振的水下压电俘能器(PEH)的数学模型，提出了流-固-电多物理场耦合方程，运用理论计算及参数辨识等方法得到俘能器各参数，为俘能器仿真分析提供参数支持。 其次，本文对基于尾流激振的串列压电俘能器进行了仿真分析，研究了扰流柱直径、响应柱直径、扰流柱和响应柱的中心距以及流速对俘能器俘能特性、振动频率、输出性能的影响规律。文中扰流柱直径D为5-25mm，响应柱直径d为15-20mm，扰流柱、响应柱中心距L为2D-6D，流速v为0.1-0.6m/s。结果表明：当扰流柱和响应柱直径一定时，随着中心距增大，振子的涡激振动和尾流激振响应均提前，且响应强度减弱；当响应柱直径和中心距一定时，随着扰流柱直径增大，涡激振动响应逐渐滞后，涡激振动峰值逐渐增大，尾流激振稳定值逐渐降低；当扰流柱和中心距一定时，随着响应柱直径增大，涡激振动响应减弱并提前，尾流激振响应增强。当扰流柱直径较小时，振子振动频率在单振子涡激振动频率附近。随着扰流柱直径增大，当涡脱频率低于单振子涡激振动频率时，振子频率在涡脱频率附近，当涡脱频率高于单振子涡激振动频率后，振子频率值稳定在振子固有频率附近。通过数据对比，PEH-05-15-2D俘能提升率最优，相对于PEH-00-15的VRMSmax提升率达到了102.9%，能量密度提升率达到了269.93%，PEH-05-20-2D俘能性能最优，VRMSmax达到了43.72V，能量密度达到了2.327J/m3。 最后，研制了一套基于尾流激振的水下俘能器样机，搭建了明渠实验平台，进行了一系列俘能实验。将实验结果与仿真结果进行对比，验证了本文数学建模和仿真的正确性。
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