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基于PZT换能器的时均流激声发动机输出特性研究

作　者: 陈海俊
导　师: 孙大明
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 压电 换能器 风能
分类号: TK401
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 14次
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内容摘要


时均流激声发动机是一种基于气动声学原理的新型能量转化装置,可以在不使用任何机械运动部件的情况下利用风和管道流体等时均流激发出具有稳定频率和较高能流密度的声场,从而实现时均流能到声场能的转化。利用该装置驱动PZT换能器,可以制成完全无运动部件的发电装置,具有结构简单、寿命长、制造成本低等优点,特别适合于结合低功耗的电子设备制成自供能系统,实现在难以获得电源且不易更换电池的场合中长期使用。利用ANSYS软件中的FLUENT模块和Mechanical APDL模块分别对时均流激声发动机和PZT换能器进行建模,将利用FLUENT计算得到的时均流激声发动机谐振管内的声场结果作为载荷加载到PZT换能器模型的流固作用面上,利用Mechanical APDL计算得到PZT换能器在声场驱动下的电场特性。数值计算结果与实验结果吻合良好。搭建了首台时均流激声发动机驱动PZT换能器的实验台。时均流激声发动机以离心风机作为气源提供时均流,在特定的流速区域范围内,在谐振管中建立起稳定的驻波声场。通过实验和数值模拟方法相结合,揭示了发动机内声场分布以及时均流速、斯特劳哈尔数等对其声场特性的影响。压电换能器采用圆盘型的PZT压电陶瓷单晶片,通过周边夹持的方式安装在谐振管的末端,在声场的驱动下获得稳定的交变电场。当时均流速为51.7m/s、谐振管长度为190mm时,实验中获得谐振管末端最大的压力振幅为16.0kPa,为平均压力的15.8%,频率为500Hz。在此声场强度的驱动下,PZT换能器的开路电压达到7.74V。通过在换能器的输出电路中接入可变负载电阻,测量得到当负载电阻为15kΩ时,换能器的最大输出电功为0.88mW,占声源能量的0.013%。充分显示了时均流激声发动机驱动PZT换能器在能量供应方面的应用潜力。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
主要符号表  8-10
目录  10-12
第一章 绪论  12-25
  1.1 课题研究背景与意义  12-13
  1.2 基于压电技术的时均流诱导声振荡能量收集研究进展  13-23
    1.2.1 压电技术收集时均流能研究现状  13-15
    1.2.2 时均流诱导声振荡研究现状  15-20
    1.2.3 声振荡腔与压电换能器耦合发电的研究现状  20-23
  1.3 本文主要工作  23-25
第二章 时均流激声驱动PZT换能器的理论基础  25-36
  2.1 气动声学基础  25-29
  2.2 声源能量分析  29-30
  2.3 周界固定圆形薄板的自由弯曲振动  30-32
  2.4 薄板弯曲振动的矩形有限元法  32-33
  2.5 压电陶瓷的压电方程  33-34
  2.6 换能器等效电路模型  34-35
  2.7 本章小结  35-36
第三章 时均流激声发动机驱动PZT换能器的整机数值模拟  36-54
  3.1 前言  36
  3.2 数值仿真的模型与方法  36-38
  3.3 基于Fluent的时均流激声发动机数值模型  38-40
    3.3.1 流体模型控制方程组  38-39
    3.3.2 模型建立与网格划分  39-40
    3.3.3 边界条件与数值方法  40
  3.4 压电换能器模型  40-42
    3.4.1 基于有限元法的结构瞬态分析  40-41
    3.4.2 模型建立  41-42
  3.5 计算结果与分析  42-53
    3.5.1 流场特性  42-45
    3.5.2 声场特性  45-46
    3.5.3 声场强弱的影响因素  46-48
    3.5.4 压电换能器模态分析  48-49
    3.5.6 压电换能器瞬态分析  49-52
    3.5.7 压电换能器的电场输出  52-53
  3.6 本章小结  53-54
第四章 时均流激声发动机驱动PZT换能器的实验研究  54-69
  4.1 前言  54
  4.2 实验台设计及装置介绍  54-57
    4.2.1 气源装置  55
    4.2.2 管路系统及附属部件  55
    4.2.3 PZT换能器的制作及安装  55-57
    4.2.4 测量及数据采集系统  57
  4.3 声场特性  57-58
  4.4 声场能量分析  58-60
  4.5 声场驱动PZT换能器实验研究  60-66
    4.5.1 压力波形与电压波形  60-62
    4.5.2 压力振幅与电压振幅  62-63
    4.5.3 电量输出特性研究  63-64
    4.5.4 换能器并联发电实验研究  64-66
  4.6 基于集总参数法的相位关系和匹配电阻分析  66-67
  4.7 本章小结  67-69
第五章 总结和展望  69-72
  5.1 全文总结  69-70
  5.2 主要创新点  70
  5.3 展望  70-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间取得的科研成果  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 一般性问题 > 理论
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