方柱后置分离平板组合式流体俘能系统

本发明涉及涡激振动式俘能器，具体涉及一种方柱后置分离平板组合式流体俘能系统。

背景技术：

1、随着社会发展，石油、煤炭等不可再生化石能源日益枯竭，能源问题日益显著，可再生能源受到广泛关注。目前，随着微电子、无线网络和微机电系统等低能耗产品的发展应用，同时为解决偏远、无人地区布设低能耗产品的可持续供能问题，人们提出可以从周围环境获取能量的俘能技术。周围环境中的能源，包括光源产生的光能、流体的动能、波浪能等。河流、海洋以及大气中的水和空气是广泛存在的两种流体，有巨大的能量资源。流体流经固体结构并产生分离现象时，并形成复杂涡系，该涡系诱导结构发生涡激振动现象。涡激振动是典型的流固耦合现象，共振时产生大幅振动，俘获其振动能量是一种受到广泛关注的新型能量收集方式，基于涡激振动的俘能技术在流致振动领域均受到了广泛关注，在相同流场条件下(如相同来流速度等)如何俘获更多流体动能是流体俘能装置的关键问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对在相同流场条件下如何有效提高涡激振动式流体俘能装置能量俘获效率这一流体俘能关键问题，提供一种方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，能够显著增强锁频效应时的振动强度和幅度，提高俘能效率；还能在系统处于非工作状态时保持低振幅状态，有效维持系统稳定。

2、本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

3、一种方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，包括方柱，还包括在所述方柱后方设计距离安装的一均匀厚度的刚性平板，所述刚性平板两侧通过细长杆件与所述方柱连接，用于提高方柱的涡激振动幅度；所述俘能系统还包括安装于所述方柱上的俘能装置，用于将方柱的振动能量转化为电能。

4、上述方案中，所述方柱的截面形状为正方形，边长为d；所述设计距离指的是所述刚性平板前端距离方柱后边界距离l1，l1＝1.8d-2.0d；刚性平板前端与方柱质心没有相对位移。

5、上述方案中，所述刚性平板的长度l1＝0.5d-1.5d；刚性平板厚度相对方柱截面边长忽略不计。

6、上述方案中，所述刚性平板位于方柱后边界的中间位置，距方柱上、下边界垂向距离相同。

7、上述方案中，所述细长杆件与方柱、刚性平板之间均为可拆卸连接；所述俘能装置还包括一均匀厚度的柔性平板，所述柔性平板两侧通过细长杆件与所述方柱进行可拆卸连接，柔性平板用于在系统处于非工作状态下替换所述刚性平板，达到抑制涡激振动幅度的目的。

8、上述方案中，所述柔性平板的无量纲柔度为0-2。

9、上述方案中，所述柔性平板前端距离方柱后边界距离为l2＝0.5d-2.0d。

10、上述方案中，所述柔性平板的长度为l2＝0.5d-1.5d。

11、上述方案中，所述俘能装置采用管状电磁式流体俘能装置或压电式涡激振荡俘能装置。

12、上述方案中，所述管状电磁式流体俘能装置包括永磁铁、铁磁性材料、线圈、支撑杆和筒状结构，所述支撑杆一端连接方柱结构下表面，支撑杆另一端紧贴永磁铁和铁磁性材料的内侧，所述永磁铁和铁磁性材料交替安装在所述支撑杆上，并位于装置内部的筒状结构中，所述线圈安装在所述筒状结构外。

13、本发明的有益效果在于：

14、1、本发明通过在方柱后方设置分离式刚性平板，能够显著增强锁频区间涡流运动，进而提高系统振动强度幅度，提高俘能效率。通过高保真数值模拟实验方法验证了系统的俘能效果，结果显示，相较传统单个钝体涡激振动式俘能装置，本发明提出的组合式流体俘能系统能够提高30％的振动幅度，能够显著提高流体能量俘获效率。

15、2、本发明提出的组合式流体俘能系统还可根据流场环境变化，通过配置分离式刚性平板，在系统处于非工作状态下替换刚性平板，以抑制涡激振动幅度，保护结构的安全，增加使用寿命。

技术特征：

1.一种方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，包括方柱，其特征在于，还包括在所述方柱后方设计距离安装的一均匀厚度的刚性平板，所述刚性平板两侧通过细长杆件与所述方柱连接，用于提高方柱的涡激振动幅度；所述俘能系统还包括安装于所述方柱上的俘能装置，用于将方柱的振动能量转化为电能。

2.根据权利要求1所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述方柱的截面形状为正方形，边长为d；所述设计距离指的是所述刚性平板前端距离方柱后边界距离l1，l1＝1.8d-2.0d；刚性平板前端与方柱质心没有相对位移。

3.根据权利要求1所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述刚性平板的长度l1＝0.5d-1.5d；刚性平板厚度相对方柱截面边长忽略不计。

4.根据权利要求1所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述刚性平板位于方柱后边界的中间位置，距方柱上、下边界垂向距离相同。

5.根据权利要求1所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述细长杆件与方柱、刚性平板之间均为可拆卸连接；所述俘能装置还包括一均匀厚度的柔性平板，所述柔性平板两侧通过细长杆件与所述方柱进行可拆卸连接，柔性平板用于在系统处于非工作状态下替换所述刚性平板，达到抑制涡激振动幅度的目的。

6.根据权利要求5所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述柔性平板的无量纲柔度为0-2。

7.根据权利要求5所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述柔性平板前端距离方柱后边界距离为l2＝0.5d-2.0d。

8.根据权利要求5所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述柔性平板的长度为l2＝0.5d-1.5d。

9.根据权利要求1所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述俘能装置采用管状电磁式流体俘能装置或压电式涡激振荡俘能装置。

10.根据权利要求9所述的方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，其特征在于，所述管状电磁式流体俘能装置包括永磁铁、铁磁性材料、线圈、支撑杆和筒状结构，所述支撑杆一端连接方柱结构下表面，支撑杆另一端紧贴永磁铁和铁磁性材料的内侧，所述永磁铁和铁磁性材料交替安装在所述支撑杆上，并位于装置内部的筒状结构中，所述线圈安装在所述筒状结构外。

技术总结
本发明涉及一种方柱后置分离平板组合式流体俘能系统，包括方柱，还包括在所述方柱后方设计距离安装的一均匀厚度的刚性平板，所述刚性平板两侧通过细长杆件与所述方柱连接，用于提高方柱的涡激振动幅度；所述俘能装置还包括安装于所述方柱上的俘能装置，用于将方柱的振动能量转化为电能。本发明通过在方柱后方设置分离式刚性平板，能够显著增强锁频区间涡流运动，进而提高系统振动强度幅度，提高俘能效率；还可根据俘能系统应用需求变化，通过配置分离式刚性平板，在系统处于非工作状态下使用柔性平板替换刚性平板，抑制涡激振动幅度，保护结构的安全，增加使用寿命。

技术研发人员：邵江燕,张芦,温佳栋
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14