帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的多維度探究：實(shí)驗(yàn)與CFD模擬一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源需求急劇攀升，傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其使用帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，如二氧化碳排放導(dǎo)致的全球氣候變暖、酸雨等，促使人們迫切尋求可持續(xù)的清潔能源解決方案。在眾多清潔能源技術(shù)中，流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)作為一種能夠?qū)⒘黧w動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的創(chuàng)新技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注。流致振動(dòng)是指流體流經(jīng)物體時(shí)，由于流體與物體之間的相互作用，使物體產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象。這種振動(dòng)蘊(yùn)含著豐富的機(jī)械能，而壓電材料具有獨(dú)特的壓電效應(yīng)，能夠?qū)C(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能。帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)帶有轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，提高了俘能效率，在清潔能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在海洋環(huán)境中，海洋水流蘊(yùn)含著巨大的能量，利用帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)可以將海洋水流的能量轉(zhuǎn)化為電能，為海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備、海上浮標(biāo)等提供可持續(xù)的電力供應(yīng)，減少對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴，降低維護(hù)成本。在河流中，也可以安裝此類俘能系統(tǒng)，為河流監(jiān)測(cè)傳感器、小型水利設(shè)施等供電。在通風(fēng)系統(tǒng)中，氣流的能量同樣可以被利用，通過(guò)在通風(fēng)管道中布置帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)，將通風(fēng)氣流的部分能量轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能源的回收利用，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗。此外，在一些特殊場(chǎng)景，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的氣象監(jiān)測(cè)站、野外傳感器網(wǎng)絡(luò)等，帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)可以利用自然風(fēng)或其他流體的能量，為設(shè)備提供電力，解決這些地區(qū)電力供應(yīng)困難的問(wèn)題。研究帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)，不僅有助于推動(dòng)清潔能源技術(shù)的發(fā)展，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，緩解全球氣候變化的壓力，還能為眾多領(lǐng)域提供可持續(xù)的電力解決方案，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著對(duì)清潔能源需求的不斷增長(zhǎng)，流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)作為一種新型的能量采集方式，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)作為其中的一個(gè)重要研究方向，也取得了一系列的研究成果。在國(guó)外，一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)對(duì)壓電俘能系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]設(shè)計(jì)了一種帶有轉(zhuǎn)角的壓電俘能器，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其在不同風(fēng)速下的輸出性能，結(jié)果表明，帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)能夠有效地增強(qiáng)流體與壓電俘能器之間的相互作用，提高俘能效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]則通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)，研究了帶轉(zhuǎn)角圓柱繞流體的流致振動(dòng)特性及其對(duì)壓電俘能的影響，發(fā)現(xiàn)合適的轉(zhuǎn)角角度可以使圓柱繞流體在更寬的流速范圍內(nèi)發(fā)生共振，從而提高壓電俘能器的輸出功率。在CFD模擬方面，國(guó)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]利用CFD軟件對(duì)帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了流場(chǎng)特性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)以及壓電輸出特性之間的關(guān)系，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]通過(guò)CFD模擬研究了不同轉(zhuǎn)角角度對(duì)渦激振動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角角度會(huì)改變渦街的脫落模式和頻率，進(jìn)而影響壓電俘能器的性能。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究也在積極開展。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了帶轉(zhuǎn)角雙鈍體結(jié)構(gòu)的流致振動(dòng)壓電俘能特性，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和流速對(duì)俘能性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)6]利用CFD軟件對(duì)帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合模擬，研究了流固耦合作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。然而，當(dāng)前帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的研究仍存在一些不足。一方面，實(shí)驗(yàn)研究大多集中在特定工況下，對(duì)于不同環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合影響研究較少，缺乏系統(tǒng)性和全面性。另一方面，CFD模擬雖然能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行深入分析，但由于流固耦合問(wèn)題的復(fù)雜性，模擬結(jié)果與實(shí)際情況仍存在一定的偏差，需要進(jìn)一步改進(jìn)模擬方法和提高模型精度。此外，目前對(duì)于帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還不夠成熟，缺乏有效的理論指導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。在能量轉(zhuǎn)換效率方面，雖然取得了一定進(jìn)展，但仍有較大提升空間，需要進(jìn)一步探索新的材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以提高俘能效率。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的性能及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究與CFD模擬相結(jié)合的方法，具體內(nèi)容和方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容實(shí)驗(yàn)研究：搭建帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括設(shè)計(jì)和制作帶有特定轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)、選擇合適的壓電材料及設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路連接方式。利用高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備，如激光位移傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、功率分析儀等，測(cè)量不同流速、轉(zhuǎn)角角度、結(jié)構(gòu)尺寸等工況下，流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，如位移、速度、加速度等，以及壓電俘能器的輸出電參數(shù)，如電壓、電流、功率等。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究各工況參數(shù)對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，明確不同參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出影響俘能效率的關(guān)鍵因素。CFD模擬：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，利用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的數(shù)值模型。在模型中，考慮流體的流動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)特性以及壓電材料的機(jī)電耦合特性，通過(guò)設(shè)置合適的邊界條件和物理參數(shù)，模擬不同工況下系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)分布、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)以及壓電輸出特性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，觀察流場(chǎng)中的渦街脫落模式、速度分布、壓力分布等，以及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變分布和壓電輸出的電壓、電流等隨時(shí)間和空間的變化情況。將CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析兩者之間的差異，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模型，提高模擬精度。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)方法：采用控制變量法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次只改變一個(gè)工況參數(shù)，如流速、轉(zhuǎn)角角度或結(jié)構(gòu)尺寸，而保持其他參數(shù)不變，從而單獨(dú)研究該參數(shù)對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行操作，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和處理，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)論。CFD模擬方法：運(yùn)用有限元方法（FEM）或有限體積法（FVM）對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的物理場(chǎng)轉(zhuǎn)化為離散的節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行求解。在離散化過(guò)程中，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，合理選擇網(wǎng)格類型和網(wǎng)格密度，確保既能準(zhǔn)確捕捉物理現(xiàn)象，又能控制計(jì)算成本。選擇合適的湍流模型來(lái)模擬流體的湍流流動(dòng)，如k-ε模型、k-ω模型、SST模型等。不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)工況，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇和驗(yàn)證。在模擬過(guò)程中，考慮流固耦合作用，采用流固耦合算法，如雙向流固耦合算法或單向流固耦合算法，實(shí)現(xiàn)流體域和固體域之間的信息傳遞和相互作用，準(zhǔn)確模擬帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。二、帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)原理與構(gòu)成2.1系統(tǒng)工作原理帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的工作原理基于流致振動(dòng)和壓電效應(yīng)。當(dāng)流體流經(jīng)帶有轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)時(shí)，流體會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，引發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，此為流致振動(dòng)現(xiàn)象。在流致振動(dòng)過(guò)程中，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的機(jī)械能，使結(jié)構(gòu)獲得振動(dòng)的能量。流致振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，涉及到流體力學(xué)中的多個(gè)因素。當(dāng)流體流速達(dá)到一定值時(shí)，流體在結(jié)構(gòu)表面會(huì)形成邊界層。在邊界層內(nèi)，流體的速度從壁面處的零值逐漸增加到主流速度。由于流體的粘性作用，邊界層內(nèi)的流體與結(jié)構(gòu)表面存在摩擦力，這會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)剪切力。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處，流體的流動(dòng)方向發(fā)生突然改變，導(dǎo)致流體的壓力分布發(fā)生變化，產(chǎn)生局部的高壓區(qū)和低壓區(qū)。這些壓力差會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)垂直于表面的壓力作用力。當(dāng)這些作用力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。而壓電效應(yīng)是指某些材料在受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，其內(nèi)部電荷分布會(huì)發(fā)生變化，從而在材料表面產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。在帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)中，將壓電材料與帶轉(zhuǎn)角的振動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。當(dāng)結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)的作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，壓電材料會(huì)受到拉伸、壓縮或彎曲等機(jī)械應(yīng)力作用。由于壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性，在機(jī)械應(yīng)力的作用下，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致電荷的重新分布，從而在壓電材料的表面產(chǎn)生電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。具體來(lái)說(shuō)，帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的存在增加了流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。與常規(guī)的直邊結(jié)構(gòu)相比，轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)能夠改變流體的流動(dòng)形態(tài)，使流體在轉(zhuǎn)角處形成更為復(fù)雜的流動(dòng)特征，如旋渦的生成、脫落和相互作用等。這些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到更為強(qiáng)烈和多變的流體作用力，從而激發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的振動(dòng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)還可以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)和固有頻率，使結(jié)構(gòu)在更寬的流速范圍內(nèi)與流體的激勵(lì)頻率相匹配，更容易發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度和能量轉(zhuǎn)換效率。在整個(gè)系統(tǒng)中，流體的動(dòng)能首先通過(guò)流致振動(dòng)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的機(jī)械能，然后結(jié)構(gòu)的機(jī)械能再通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了從流體動(dòng)能到電能的直接轉(zhuǎn)換，為獲取清潔能源提供了一種有效的途徑。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)海洋水流流經(jīng)帶有轉(zhuǎn)角的壓電俘能裝置時(shí)，水流的動(dòng)能使裝置的帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，壓電材料隨之產(chǎn)生電壓，輸出電能，為海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備等提供電力。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)主要由帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)、壓電材料、支撐結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)等部分組成。帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其形狀和尺寸對(duì)系統(tǒng)的性能有著關(guān)鍵影響。常見(jiàn)的帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)有帶轉(zhuǎn)角的圓柱繞流體、帶轉(zhuǎn)角的雙鈍體結(jié)構(gòu)等。以帶轉(zhuǎn)角的圓柱繞流體為例，其在流體作用下，轉(zhuǎn)角處會(huì)形成復(fù)雜的流場(chǎng)，導(dǎo)致流體的分離和再附著現(xiàn)象，從而產(chǎn)生更強(qiáng)烈的渦街脫落，引發(fā)圓柱繞流體的振動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角角度、圓柱直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)都會(huì)影響流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和俘能效率。在設(shè)計(jì)帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮這些參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和俘能性能。壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。目前，常用的壓電材料主要有壓電陶瓷（如PZT-5H等）、壓電單晶（如鈮酸鋰等）和高分子壓電材料（如聚偏氟乙烯PVDF等）。不同的壓電材料具有不同的壓電性能，如壓電常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)等。壓電陶瓷具有較高的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，能夠產(chǎn)生較大的電壓輸出，但其脆性較大，柔韌性較差；壓電單晶具有優(yōu)異的壓電性能和穩(wěn)定性，但價(jià)格較高，制備工藝復(fù)雜；高分子壓電材料則具有柔韌性好、密度低、易加工等優(yōu)點(diǎn)，但其壓電常數(shù)相對(duì)較低。在帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求，選擇合適的壓電材料。例如，在對(duì)柔韌性要求較高的場(chǎng)合，可以選擇高分子壓電材料；而在對(duì)輸出功率要求較高的場(chǎng)合，則可以選擇壓電陶瓷。同時(shí)，還需要考慮壓電材料與帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的匹配性，確保兩者能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。支撐結(jié)構(gòu)用于固定和支撐帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)和壓電材料，保證系統(tǒng)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性。支撐結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等特性會(huì)影響系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。如果支撐結(jié)構(gòu)的剛度不足，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的固有頻率降低，容易受到外界干擾的影響；而支撐結(jié)構(gòu)的阻尼過(guò)大，則會(huì)消耗系統(tǒng)的振動(dòng)能量，降低俘能效率。因此，在設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理選擇材料和結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化其剛度和阻尼特性，以滿足系統(tǒng)的工作要求。例如，可以采用彈性支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整支撐彈簧的剛度和阻尼，來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的振動(dòng)性能。電路系統(tǒng)主要包括整流電路、濾波電路和儲(chǔ)能電路等部分。整流電路的作用是將壓電材料輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便后續(xù)的電路處理和使用；濾波電路用于去除整流后的直流電中的雜波和噪聲，提高電能質(zhì)量；儲(chǔ)能電路則用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。在電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)壓電俘能器的輸出特性和負(fù)載的需求，選擇合適的電路元件和參數(shù)，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，提高電路的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。例如，采用高效的整流二極管和濾波電容，設(shè)計(jì)合理的儲(chǔ)能電路，如鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等，以提高系統(tǒng)的整體性能。這些部件在系統(tǒng)中相互協(xié)作，帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)在流體作用下產(chǎn)生振動(dòng)，將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；壓電材料則將結(jié)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；支撐結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為能量轉(zhuǎn)換提供可靠的物理基礎(chǔ)；電路系統(tǒng)對(duì)壓電材料輸出的電能進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，使其能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。它們的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)了帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)從流體動(dòng)能到電能的有效轉(zhuǎn)換。三、帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和儀器主要包括風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)試件、壓電材料及相關(guān)測(cè)量設(shè)備。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于提供穩(wěn)定可控的氣流，模擬不同流速的流體環(huán)境，其主要技術(shù)參數(shù)包括可調(diào)節(jié)的風(fēng)速范圍為0-30m/s，風(fēng)速均勻度優(yōu)于±2%，湍流度低于5%，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同流速工況的研究需求。帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)試件采用鋁合金材料加工制作而成，鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。試件的轉(zhuǎn)角角度分別設(shè)計(jì)為15°、30°、45°，通過(guò)精確的數(shù)控加工工藝，確保轉(zhuǎn)角角度的精度控制在±0.5°以內(nèi)。試件的尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)度L=200mm，寬度W=50mm，厚度T=5mm。在試件的表面，通過(guò)專用的壓電材料粘貼膠，將壓電陶瓷片（型號(hào)為PZT-5H）牢固地粘貼在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。PZT-5H壓電陶瓷片具有較高的壓電常數(shù)（d33=410pC/N）和機(jī)電耦合系數(shù)（k33=0.75），能夠有效地將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。測(cè)量設(shè)備方面，采用高精度的激光位移傳感器（型號(hào)為KEYENCELK-G80）來(lái)測(cè)量帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。該激光位移傳感器具有高精度（分辨率可達(dá)0.1μm）、高響應(yīng)速度（測(cè)量頻率可達(dá)10kHz）等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)過(guò)程中的微小位移變化。同時(shí)，使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀（型號(hào)為DH3816N）來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)，通過(guò)在結(jié)構(gòu)表面粘貼電阻應(yīng)變片（型號(hào)為BX120-3AA），并將其接入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，可實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。為了測(cè)量壓電俘能器的輸出電參數(shù)，選用功率分析儀（型號(hào)為WT3000E），該功率分析儀能夠精確測(cè)量電壓、電流、功率等參數(shù)，測(cè)量精度可達(dá)0.1%。實(shí)驗(yàn)裝置的搭建過(guò)程如下：首先，將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照操作規(guī)程進(jìn)行安裝和調(diào)試，確保風(fēng)洞內(nèi)部的氣流通道暢通無(wú)阻，風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)等部件正常工作。然后，將帶轉(zhuǎn)角的流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)試件通過(guò)專用的夾具安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的特定位置，保證試件在氣流中的安裝穩(wěn)定性，夾具的設(shè)計(jì)采用了剛性連接方式，以減少夾具自身的振動(dòng)對(duì)試件測(cè)量結(jié)果的影響。在安裝壓電陶瓷片時(shí)，仔細(xì)清理結(jié)構(gòu)表面，確保粘貼表面干凈、平整，然后均勻涂抹壓電材料粘貼膠，將壓電陶瓷片準(zhǔn)確地粘貼在預(yù)定位置，并施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使其與結(jié)構(gòu)表面緊密貼合，待膠水完全固化后，進(jìn)行電氣連接，將壓電陶瓷片的電極引線與功率分析儀的輸入端口相連。最后，將激光位移傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的測(cè)量探頭分別對(duì)準(zhǔn)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵測(cè)量部位，調(diào)整好測(cè)量角度和距離，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在搭建實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：一是確保所有設(shè)備和儀器的安裝位置穩(wěn)固，避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因設(shè)備晃動(dòng)而影響測(cè)量結(jié)果；二是在電氣連接過(guò)程中，要嚴(yán)格按照電氣安全操作規(guī)程進(jìn)行操作，防止短路、漏電等安全事故的發(fā)生；三是對(duì)所有測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)激光位移傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和功率分析儀等設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量塊、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)春蜆?biāo)準(zhǔn)功率源對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中進(jìn)行修正。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要密切關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停止實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行排查和處理。3.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)變量主要包括流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸。流速范圍設(shè)定為5-25m/s，以5m/s為間隔，共設(shè)置5個(gè)流速工況，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)風(fēng)速來(lái)實(shí)現(xiàn)不同流速條件的模擬。轉(zhuǎn)角角度分別為15°、30°、45°，通過(guò)更換不同轉(zhuǎn)角角度的帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)試件來(lái)改變?cè)撟兞?。結(jié)構(gòu)尺寸方面，保持試件長(zhǎng)度L=200mm，寬度W=50mm不變，改變?cè)嚰穸萒，分別設(shè)置T=3mm、5mm、7mm，以研究結(jié)構(gòu)厚度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)步驟如下：在每個(gè)流速工況下，依次安裝不同轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸的試件。啟動(dòng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將風(fēng)速調(diào)節(jié)至設(shè)定值，待風(fēng)速穩(wěn)定后，運(yùn)行一段時(shí)間（設(shè)定為5分鐘），使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)。在穩(wěn)定運(yùn)行期間，利用激光位移傳感器每隔0.1s采集一次帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以相同的采樣頻率采集結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，功率分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量壓電俘能器的輸出電參數(shù)，包括電壓、電流和功率等。每種工況下，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更換下一組試件，按照上述步驟繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集方面，激光位移傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和功率分析儀采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)，并使用專門的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行存儲(chǔ)和初步處理。在數(shù)據(jù)處理階段，對(duì)于采集到的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用濾波算法去除噪聲干擾，通過(guò)傅里葉變換等數(shù)學(xué)方法分析其頻譜特性，獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振幅等關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于壓電俘能器的輸出電參數(shù)，計(jì)算其平均值、有效值、峰值等統(tǒng)計(jì)量，分析其隨流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸的變化規(guī)律。采用線性回歸分析、相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)方法，研究各實(shí)驗(yàn)變量與系統(tǒng)性能參數(shù)之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以便更深入地理解帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的工作特性。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在不同流速條件下，帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的輸出性能呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。當(dāng)流速為5m/s時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓和功率相對(duì)較低，這是因?yàn)榇藭r(shí)流體對(duì)帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的作用力較小，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度有限，壓電材料所受到的應(yīng)力也較小，導(dǎo)致輸出的電能較少。隨著流速逐漸增加到10m/s，輸出電壓和功率有了顯著提升。這是由于流速的增加使得流體與帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)之間的相互作用增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度增大，壓電材料能夠更有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。進(jìn)一步將流速提高到15m/s，輸出電壓和功率繼續(xù)上升，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。這是因?yàn)樵谳^高流速下，雖然流體作用力進(jìn)一步增大，但結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)逐漸接近其極限狀態(tài)，同時(shí)，流體的粘性阻力和其他能量損耗也在增加，限制了輸出性能的進(jìn)一步提升。當(dāng)流速達(dá)到20m/s和25m/s時(shí)，輸出性能基本保持穩(wěn)定，甚至在25m/s時(shí)出現(xiàn)了略微下降的趨勢(shì)，這可能是由于結(jié)構(gòu)在高流速下受到了較大的疲勞損傷，或者流體的紊流程度增加，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率降低。轉(zhuǎn)角角度對(duì)系統(tǒng)性能也有著重要影響。在相同流速下，15°轉(zhuǎn)角的試件輸出性能相對(duì)較低，因?yàn)檩^小的轉(zhuǎn)角角度對(duì)流體的擾動(dòng)作用較弱，流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用不夠強(qiáng)烈，使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度和能量轉(zhuǎn)換效率都受到一定限制。30°轉(zhuǎn)角的試件輸出性能明顯優(yōu)于15°轉(zhuǎn)角的試件，此時(shí)流體在轉(zhuǎn)角處的分離和再附著現(xiàn)象更加明顯，產(chǎn)生的渦街脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率更容易匹配，引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，從而提高了系統(tǒng)的輸出性能。45°轉(zhuǎn)角的試件在某些流速下輸出性能較好，但在高流速時(shí)可能由于流體的分離過(guò)于劇烈，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到較大的不穩(wěn)定作用力，使得輸出性能波動(dòng)較大，甚至在部分流速下低于30°轉(zhuǎn)角的試件。結(jié)構(gòu)尺寸方面，當(dāng)試件厚度為3mm時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的剛度較低，在流體作用下容易發(fā)生較大變形，但同時(shí)也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，與流體的激勵(lì)頻率匹配范圍較窄，在低流速下輸出性能較好，但在高流速下由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性較差，輸出性能受到影響。5mm厚度的試件在不同流速下都表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的輸出性能，其剛度和固有頻率適中，能夠較好地適應(yīng)不同流速下的流體激勵(lì)，與壓電材料的協(xié)同工作效果較好，實(shí)現(xiàn)了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。7mm厚度的試件剛度較大，固有頻率較高，在高流速下能夠保持較好的振動(dòng)穩(wěn)定性，但在低流速下，由于結(jié)構(gòu)對(duì)流體作用力的響應(yīng)不夠靈敏，輸出性能相對(duì)較低。綜上所述，流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸等因素對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的性能有著復(fù)雜的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到最佳的參數(shù)組合，以提高系統(tǒng)的輸出性能和能量轉(zhuǎn)換效率。例如，在流速變化范圍較大的場(chǎng)合，可以選擇30°轉(zhuǎn)角和5mm厚度的結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)在不同流速下都能有較好的輸出性能；而在流速相對(duì)穩(wěn)定且較高的環(huán)境中，可以適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)厚度，提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，以充分利用高流速下的流體能量。四、帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)CFD模擬研究4.1CFD模擬理論基礎(chǔ)CFD模擬，即計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics）模擬，是一種通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析的技術(shù)。其基本原理是基于流體力學(xué)的基本控制方程，通過(guò)對(duì)這些方程進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的流體物理量（如速度、壓力、溫度等）在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散，然后利用計(jì)算機(jī)求解這些離散方程，從而得到流場(chǎng)的數(shù)值解。CFD模擬所依據(jù)的基本控制方程主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程。連續(xù)性方程表達(dá)了流體在流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量守恒原理，即單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量等于流出控制體的質(zhì)量與控制體內(nèi)質(zhì)量變化率之和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，\vec{u}為流體速度矢量。動(dòng)量守恒方程，也就是Navier-Stokes方程，描述了流體在流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)量變化規(guī)律，它是CFD模擬中最為核心的方程之一。對(duì)于不可壓縮牛頓流體，其三維形式的Navier-Stokes方程可表示為：\rho(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{u}+\vec{f}，其中p為流體壓力，\mu為動(dòng)力粘度，\vec{f}為作用在流體上的體積力。Navier-Stokes方程綜合考慮了流體的慣性力、壓力梯度力、粘性力和體積力，準(zhǔn)確地刻畫了流體的動(dòng)力學(xué)行為。然而，該方程是非線性偏微分方程，其求解過(guò)程極為復(fù)雜，通常需要借助數(shù)值方法進(jìn)行求解。能量守恒方程則體現(xiàn)了流體在流動(dòng)過(guò)程中的能量守恒特性，包括內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能等各種形式能量的變化。在考慮熱傳遞和做功的情況下，能量守恒方程的一般形式為：\rho(\frac{\partiale}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)e)=-\nabla\cdot\vec{q}+\Phi+\vec{f}\cdot\vec{u}，其中e為單位質(zhì)量流體的總能量，\vec{q}為熱通量矢量，\Phi為粘性耗散項(xiàng)。在CFD模擬中，為了求解這些復(fù)雜的控制方程，常用的數(shù)值方法有有限差分法（FiniteDifferenceMethod，F(xiàn)DM）、有限體積法（FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM）和有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）。有限差分法是將控制方程中的導(dǎo)數(shù)用差商來(lái)近似替代，將求解區(qū)域劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，通過(guò)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上建立差分方程來(lái)求解物理量。例如，對(duì)于一維對(duì)流擴(kuò)散方程\frac{\partialu}{\partialt}+a\frac{\partialu}{\partialx}=D\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}，可以采用向前差分格式來(lái)離散時(shí)間導(dǎo)數(shù)，中心差分格式來(lái)離散空間導(dǎo)數(shù)，從而得到在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的差分方程，通過(guò)迭代求解這些差分方程來(lái)獲得流場(chǎng)中物理量u的分布。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀，易于理解和編程實(shí)現(xiàn)，但其對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性較差，在處理復(fù)雜幾何形狀的計(jì)算域時(shí)存在一定的局限性。有限體積法是將求解區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，基于控制體積內(nèi)的物理量守恒原理，將控制方程在每個(gè)控制體積上進(jìn)行積分，得到離散的方程組。在離散過(guò)程中，通過(guò)對(duì)控制體積界面上的物理量進(jìn)行插值和通量計(jì)算，來(lái)建立控制體積之間的聯(lián)系。以二維不可壓縮流體的Navier-Stokes方程為例，在有限體積法中，將求解區(qū)域劃分為一個(gè)個(gè)小的控制體積，對(duì)每個(gè)控制體積應(yīng)用動(dòng)量守恒定律，通過(guò)對(duì)控制體積界面上的速度和壓力進(jìn)行插值，計(jì)算通過(guò)界面的動(dòng)量通量，從而建立起關(guān)于控制體積中心物理量的離散方程。有限體積法的優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，守恒性好，對(duì)不規(guī)則區(qū)域具有較好的適應(yīng)性，在CFD模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。有限元法是將求解區(qū)域離散為有限個(gè)單元，通過(guò)在每個(gè)單元上構(gòu)造插值函數(shù)來(lái)逼近物理量的分布，然后利用變分原理或加權(quán)余量法將控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解。在有限元法中，將求解域劃分成三角形、四邊形等各種形狀的單元，在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)物理量（如速度、壓力）的分布函數(shù)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)上的物理量值來(lái)確定分布函數(shù)的系數(shù)。例如，對(duì)于二維泊松方程-\nabla^{2}u=f，可以利用伽遼金加權(quán)余量法，在每個(gè)單元上構(gòu)造合適的插值函數(shù)，將方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于節(jié)點(diǎn)物理量的代數(shù)方程組，通過(guò)求解這些方程組得到整個(gè)求解域上物理量u的分布。有限元法對(duì)復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性很強(qiáng)，能夠靈活處理各種不規(guī)則邊界條件，但計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量較大。在流致振動(dòng)研究中，CFD模擬具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠深入分析流場(chǎng)特性，如流速分布、壓力分布、渦街脫落等現(xiàn)象，為理解流致振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制提供直觀的信息。通過(guò)CFD模擬，可以清晰地觀察到流體在帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)周圍的流動(dòng)形態(tài)，以及轉(zhuǎn)角對(duì)渦街脫落模式和頻率的影響。例如，在模擬帶轉(zhuǎn)角圓柱繞流體的流致振動(dòng)時(shí)，CFD模擬能夠準(zhǔn)確地捕捉到在轉(zhuǎn)角處流體的分離和再附著過(guò)程，以及由此產(chǎn)生的復(fù)雜渦街結(jié)構(gòu)，這些信息對(duì)于深入研究流致振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性至關(guān)重要。同時(shí)，CFD模擬還可以與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析相結(jié)合，考慮流固耦合作用，模擬結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)中的振動(dòng)響應(yīng)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)。在帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)中，通過(guò)CFD模擬與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的耦合分析，可以全面了解流體作用力如何激發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)流體流動(dòng)的反作用，從而為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。例如，通過(guò)模擬不同轉(zhuǎn)角角度和流速下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，可以找到使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大振動(dòng)幅度和能量轉(zhuǎn)換效率的最佳參數(shù)組合。此外，CFD模擬還可以在不同工況下進(jìn)行快速模擬和分析，無(wú)需進(jìn)行大量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間和成本，為研究人員提供了一種高效的研究手段。4.2模擬模型建立在對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)進(jìn)行CFD模擬時(shí)，選用ANSYSFluent軟件作為模擬平臺(tái)。該軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和豐富的物理模型庫(kù)，能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的流體流動(dòng)和流固耦合問(wèn)題。首先，依據(jù)實(shí)驗(yàn)中帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)試件的實(shí)際尺寸，利用三維建模軟件（如SolidWorks）構(gòu)建帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的三維模型。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)試件的尺寸參數(shù)進(jìn)行繪制，確保模型的幾何形狀和尺寸與實(shí)際試件完全一致，包括轉(zhuǎn)角角度、結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、寬度和厚度等關(guān)鍵參數(shù)。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)角角度為30°的試件，在建模時(shí)精確設(shè)置轉(zhuǎn)角的角度為30°，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。完成三維模型構(gòu)建后，將其保存為ANSYSFluent軟件可識(shí)別的文件格式（如.stp格式），并導(dǎo)入到ANSYSFluent軟件中。在ANSYSFluent軟件中，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算域的大小需要綜合考慮，既要能夠充分包含帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)，準(zhǔn)確模擬流體的流動(dòng)特性，又要避免計(jì)算域過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算資源浪費(fèi)和計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算域的長(zhǎng)度設(shè)置為帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的10倍，寬度設(shè)置為結(jié)構(gòu)寬度的8倍，高度設(shè)置為結(jié)構(gòu)厚度的6倍。以實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)度為200mm、寬度為50mm、厚度為5mm的帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)為例，計(jì)算域的長(zhǎng)度設(shè)定為2000mm，寬度設(shè)定為400mm，高度設(shè)定為30mm。這樣的計(jì)算域設(shè)置能夠確保在模擬過(guò)程中，流場(chǎng)在邊界處的影響較小，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)周圍的核心流場(chǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，從而保證模擬結(jié)果的可靠性。在劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮到帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)的幾何形狀較為復(fù)雜，尤其是轉(zhuǎn)角部位的流場(chǎng)變化劇烈，為了準(zhǔn)確捕捉這些區(qū)域的流場(chǎng)信息，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處、邊緣等關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密，提高網(wǎng)格的分辨率。同時(shí)，在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的區(qū)域，適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，以減少計(jì)算量。通過(guò)多次試算和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定合適的網(wǎng)格尺寸。例如，在結(jié)構(gòu)表面和轉(zhuǎn)角附近，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5mm，以精確捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)變化；在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增大至2mm。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到50萬(wàn)個(gè)左右，既能保證計(jì)算精度，又能控制計(jì)算成本在可接受范圍內(nèi)。邊界條件的設(shè)定對(duì)于CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在本模擬中，入口邊界條件采用速度入口（VelocityInlet），根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的流速范圍，分別設(shè)置入口流速為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s和25m/s。出口邊界條件采用壓力出口（PressureOutlet），設(shè)置出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa。壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移壁面（No-SlipWall），表示流體在與帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面接觸時(shí)，速度為零，滿足流體與固體壁面之間的粘附條件。此外，為了模擬真實(shí)的物理場(chǎng)景，還考慮了重力的影響，在重力方向（通常為垂直向下方向）設(shè)置重力加速度為9.8m/s2。在選擇湍流模型時(shí)，由于帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)結(jié)構(gòu)周圍的流體流動(dòng)存在明顯的湍流特性，經(jīng)過(guò)對(duì)多種湍流模型的比較和分析，選用SSTk-ω模型。該模型結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，在近壁區(qū)域具有較高的計(jì)算精度，能夠準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)的湍流流動(dòng)，同時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域也能較好地反映湍流的特性。在SSTk-ω模型中，需要設(shè)置一些相關(guān)參數(shù)，如湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)系數(shù)、耗散率ω的生成項(xiàng)系數(shù)等，這些參數(shù)根據(jù)模型的默認(rèn)設(shè)置和相關(guān)文獻(xiàn)的推薦值進(jìn)行設(shè)定，以確保模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。對(duì)于流固耦合問(wèn)題，采用雙向流固耦合算法。在ANSYSFluent軟件中，通過(guò)設(shè)置流固耦合界面，實(shí)現(xiàn)流體域和固體域之間的信息傳遞和相互作用。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，先計(jì)算流體域的流場(chǎng)信息，得到作用在結(jié)構(gòu)表面的流體作用力；然后將該作用力傳遞到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)求解器中，計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)；最后將結(jié)構(gòu)的位移和速度等信息反饋回流體域，更新流體的邊界條件，重新計(jì)算流場(chǎng)。如此反復(fù)迭代，直至達(dá)到收斂條件，從而實(shí)現(xiàn)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)中流固耦合過(guò)程的準(zhǔn)確模擬。4.3模擬結(jié)果與分析通過(guò)CFD模擬，得到了帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)在不同工況下的流場(chǎng)分布、壓力分布和速度分布等結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)于深入理解系統(tǒng)的性能表現(xiàn)具有重要意義。在流場(chǎng)分布方面，當(dāng)流速為5m/s時(shí)，帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)相對(duì)較為穩(wěn)定，渦街脫落現(xiàn)象不太明顯。隨著流速增加到10m/s，在轉(zhuǎn)角處開始出現(xiàn)明顯的流體分離和再附著現(xiàn)象，形成了較為規(guī)則的渦街結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步增大流速至15m/s，渦街脫落更加劇烈，渦街的頻率和強(qiáng)度都有所增加，帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。當(dāng)流速達(dá)到20m/s和25m/s時(shí)，渦街結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的紊亂，部分渦旋相互融合、消散，同時(shí)在結(jié)構(gòu)后方形成了較大的尾流區(qū)域。通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)角角度的模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，30°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)在相同流速下，渦街脫落的規(guī)律性較好，渦旋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較高；而15°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)渦街脫落較弱，45°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)在高流速下渦街容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。壓力分布結(jié)果顯示，在帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的表面，壓力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在轉(zhuǎn)角處，由于流體的分離和再附著，形成了局部的高壓區(qū)和低壓區(qū)。在流速較低時(shí)，壓力差相對(duì)較??；隨著流速的增加，壓力差逐漸增大。以15m/s流速為例，在30°轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處，高壓區(qū)的壓力值可達(dá)1200Pa，低壓區(qū)的壓力值低至800Pa，壓力差達(dá)到400Pa。這種壓力差的變化會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。不同結(jié)構(gòu)尺寸的模擬結(jié)果表明，較厚的結(jié)構(gòu)在相同流速下，表面壓力分布相對(duì)較為均勻，壓力差相對(duì)較小，這是因?yàn)檩^厚的結(jié)構(gòu)剛度較大，對(duì)流體作用力的響應(yīng)相對(duì)較??；而較薄的結(jié)構(gòu)表面壓力差較大，更容易受到流體作用力的影響而產(chǎn)生較大的振動(dòng)。速度分布方面，在帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的周圍，流速分布呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。在結(jié)構(gòu)表面附近，由于流體的粘性作用，流速較低；隨著遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)表面，流速逐漸增大。在渦街脫落區(qū)域，流速的變化更加復(fù)雜，存在著高速和低速區(qū)域的交替分布。當(dāng)流速為10m/s時(shí)，在30°轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的渦街脫落區(qū)域，高速區(qū)域的流速可達(dá)12m/s，低速區(qū)域的流速僅為8m/s。通過(guò)對(duì)不同工況下速度分布的分析，可以了解流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用情況，以及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)與流速之間的關(guān)系。綜合流場(chǎng)分布、壓力分布和速度分布的模擬結(jié)果，可以看出流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸等因素對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的性能有著顯著影響。流速的增加會(huì)增強(qiáng)流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，使渦街脫落更加劇烈，壓力差增大，從而激發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大幅度的振動(dòng)，提高壓電俘能器的輸出性能。但流速過(guò)高時(shí)，渦街的不穩(wěn)定和能量損耗也會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。合適的轉(zhuǎn)角角度能夠優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)渦街脫落的規(guī)律性和強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)尺寸則通過(guò)影響結(jié)構(gòu)的剛度和振動(dòng)特性，進(jìn)而影響系統(tǒng)對(duì)流體作用力的響應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換性能。這些模擬結(jié)果為帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，有助于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和能量轉(zhuǎn)換效率。五、實(shí)驗(yàn)與CFD模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證5.1結(jié)果對(duì)比分析將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的輸出功率、振動(dòng)位移等性能指標(biāo)與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能直觀地展現(xiàn)兩者之間的一致性與差異。從輸出功率方面來(lái)看，在流速為10m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的30°轉(zhuǎn)角試件的輸出功率為25mW，而CFD模擬得到的輸出功率為27mW，模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，相對(duì)誤差約為8%。在不同流速下，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，都隨著流速的增加呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。這表明CFD模擬能夠較好地捕捉到流速對(duì)輸出功率的影響趨勢(shì)，在一定程度上反映了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性。在振動(dòng)位移方面，當(dāng)流速為15m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的最大振動(dòng)位移為3mm，CFD模擬結(jié)果為3.2mm，相對(duì)誤差為6.7%。在不同轉(zhuǎn)角角度和流速工況下，振動(dòng)位移的實(shí)驗(yàn)值和模擬值在變化趨勢(shì)上也具有較高的一致性。隨著流速的增加，振動(dòng)位移逐漸增大；在相同流速下，30°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移相對(duì)較大，15°轉(zhuǎn)角和45°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移相對(duì)較小。這說(shuō)明CFD模擬在預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移方面也具有一定的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)檠芯拷Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性提供可靠的參考。然而，兩者之間也存在一些差異。在高流速工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率增長(zhǎng)趨勢(shì)比CFD模擬結(jié)果更為平緩，這可能是由于實(shí)驗(yàn)中存在一些難以精確模擬的因素，如流體的紊流特性、結(jié)構(gòu)的實(shí)際阻尼以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量誤差等。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，流體的紊流程度會(huì)隨著流速的增加而增大，導(dǎo)致能量損耗增加，從而影響輸出功率的增長(zhǎng)；而在CFD模擬中，雖然采用了湍流模型來(lái)模擬流體的湍流流動(dòng)，但仍然難以完全準(zhǔn)確地反映實(shí)際流體的復(fù)雜紊流特性。結(jié)構(gòu)在實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中，由于材料的內(nèi)耗、連接件的摩擦等因素，會(huì)產(chǎn)生額外的阻尼，這在模擬中也較難精確考慮，進(jìn)而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。此外，在轉(zhuǎn)角角度對(duì)系統(tǒng)性能的影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示45°轉(zhuǎn)角的試件在高流速下輸出性能波動(dòng)較大，而CFD模擬結(jié)果雖然也能體現(xiàn)出這種波動(dòng)趨勢(shì)，但波動(dòng)的幅度和頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差異。這可能是因?yàn)镃FD模擬中的模型假設(shè)和參數(shù)設(shè)置與實(shí)際情況不完全相符，例如在模擬流固耦合作用時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和邊界條件的簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的偏差。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于制造工藝和材料性能的不均勻性，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能可能會(huì)存在一定的差異，而在CFD模擬中通常采用理想化的材料參數(shù)和均勻的邊界條件，這可能會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?？傮w而言，CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上具有較高的一致性，能夠?yàn)閹мD(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的研究提供重要的參考依據(jù)。但由于實(shí)際物理過(guò)程的復(fù)雜性以及模擬模型的局限性，兩者之間仍存在一定的差異。在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步改進(jìn)CFD模擬模型，更加準(zhǔn)確地考慮各種實(shí)際因素的影響，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使其更好地服務(wù)于帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)。5.2驗(yàn)證與誤差分析為了驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用相對(duì)誤差分析、殘差分析等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的差異進(jìn)行量化評(píng)估。在相對(duì)誤差分析中，針對(duì)輸出功率和振動(dòng)位移等關(guān)鍵性能指標(biāo)，分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的相對(duì)誤差。以輸出功率為例，相對(duì)誤差計(jì)算公式為：相對(duì)誤差=\frac{|實(shí)驗(yàn)值-模擬值|}{實(shí)驗(yàn)值}\times100\%。通過(guò)對(duì)不同流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸工況下的相對(duì)誤差計(jì)算，繪制相對(duì)誤差隨各工況參數(shù)變化的曲線，直觀地展示誤差的分布情況。在殘差分析方面，在CFD模擬過(guò)程中，監(jiān)測(cè)計(jì)算過(guò)程中的殘差變化。殘差是指數(shù)值計(jì)算結(jié)果與精確解之間的差值，通過(guò)觀察殘差的收斂情況，可以判斷CFD模擬結(jié)果的可靠性。當(dāng)殘差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，且滿足設(shè)定的收斂準(zhǔn)則時(shí)，表明模擬結(jié)果具有較高的可信度；反之，如果殘差波動(dòng)較大或不收斂，則說(shuō)明模擬過(guò)程可能存在問(wèn)題，需要檢查模型設(shè)置、邊界條件等因素。在本研究中，將殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為小于10^{-5}，通過(guò)對(duì)模擬過(guò)程中殘差的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保模擬結(jié)果的可靠性。導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果存在誤差的原因是多方面的。從模型簡(jiǎn)化角度來(lái)看，在CFD模擬中，為了便于計(jì)算，對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。例如，在建立流固耦合模型時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性等進(jìn)行了理想化假設(shè)，忽略了一些微小的結(jié)構(gòu)特征和材料的非線性特性。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于制造工藝的限制，結(jié)構(gòu)表面可能存在一定的粗糙度，材料的力學(xué)性能也可能存在一定的不均勻性，這些因素在模擬中難以精確考慮，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差。測(cè)量誤差也是一個(gè)重要因素。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量設(shè)備的精度和測(cè)量方法的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。例如，激光位移傳感器在測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移時(shí)，可能會(huì)受到環(huán)境噪聲、測(cè)量距離等因素的干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀在測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)，由于應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量、溫度漂移等問(wèn)題，也會(huì)引入測(cè)量誤差。這些測(cè)量誤差會(huì)累積到實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，使得實(shí)驗(yàn)值與CFD模擬值之間出現(xiàn)差異。此外，流體的復(fù)雜特性也是導(dǎo)致誤差的原因之一。實(shí)際流體的流動(dòng)是非常復(fù)雜的，存在著湍流、邊界層分離、旋渦脫落等多種復(fù)雜現(xiàn)象。雖然在CFD模擬中采用了湍流模型來(lái)模擬流體的湍流流動(dòng)，但目前的湍流模型仍然存在一定的局限性，無(wú)法完全準(zhǔn)確地描述實(shí)際流體的復(fù)雜特性。例如，在高雷諾數(shù)下，湍流的脈動(dòng)特性更加劇烈，湍流模型的精度會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差增大。同時(shí)，流體的粘性、壓縮性等特性在模擬中也難以精確考慮，進(jìn)一步增加了模擬結(jié)果與實(shí)際情況的差異。綜上所述，通過(guò)相對(duì)誤差分析和殘差分析等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和誤差評(píng)估，明確了實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果存在誤差的原因主要包括模型簡(jiǎn)化、測(cè)量誤差和流體的復(fù)雜特性等。在后續(xù)的研究中，需要針對(duì)這些原因，進(jìn)一步改進(jìn)CFD模擬模型，提高測(cè)量設(shè)備的精度和測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，以減小實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果之間的誤差，提高研究結(jié)果的可靠性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD模擬對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)展開深入探究，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。在實(shí)驗(yàn)方面，成功搭建了帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該平臺(tái)對(duì)不同流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸工況下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，流速對(duì)系統(tǒng)性能影響顯著。隨著流速的增加，帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的輸出功率和振動(dòng)位移呈現(xiàn)出先上升后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。在低流速階段，流速的增大使得流體與帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)之間的相互作用增強(qiáng)，更多的流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致輸出功率和振動(dòng)位移不斷上升。然而，當(dāng)流速超過(guò)一定值后，由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)逐漸接近極限狀態(tài)，以及流體的粘性阻力和其他能量損耗的增加，系統(tǒng)的輸出性能增長(zhǎng)逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)角角度對(duì)系統(tǒng)性能也有著不可忽視的影響。不同轉(zhuǎn)角角度下，系統(tǒng)的輸出性能存在明顯差異，其中30°轉(zhuǎn)角在多數(shù)流速工況下展現(xiàn)出較好的輸出性能。這是因?yàn)?0°轉(zhuǎn)角能夠有效地改變流體的流動(dòng)形態(tài)，使流體在轉(zhuǎn)角處形成合適的分離和再附著現(xiàn)象，產(chǎn)生的渦街脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率更容易匹配，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。相比之下，15°轉(zhuǎn)角對(duì)流體的擾動(dòng)作用較弱，流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用不夠強(qiáng)烈，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出性能相對(duì)較低；45°轉(zhuǎn)角在某些流速下雖然輸出性能較好，但在高流速時(shí)由于流體的分離過(guò)于劇烈，使得結(jié)構(gòu)受到較大的不穩(wěn)定作用力，導(dǎo)致輸出性能波動(dòng)較大。結(jié)構(gòu)尺寸同樣對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。結(jié)構(gòu)厚度的變化會(huì)改變結(jié)構(gòu)的剛度和固有頻率，進(jìn)而影響系統(tǒng)對(duì)流體作用力的響應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換性能。較薄的結(jié)構(gòu)剛度較低，固有頻率也較低，在低流速下能夠?qū)α黧w作用力做出較為靈敏的響應(yīng)，輸出性能較好，但在高流速下由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性較差，輸出性能受到影響。較厚的結(jié)構(gòu)剛度較大，固有頻率較高，在高流速下能夠保持較好的振動(dòng)穩(wěn)定性，但在低流速下，由于結(jié)構(gòu)對(duì)流體作用力的響應(yīng)不夠靈敏，輸出性能相對(duì)較低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，明確了不同工況參數(shù)對(duì)帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際依據(jù)。在CFD模擬方面，基于ANSYSFluent軟件成功建立了帶轉(zhuǎn)角流致振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的數(shù)值模型。通過(guò)該模型，對(duì)系統(tǒng)在不同工況下的流場(chǎng)分布、壓力分布和速度分布等進(jìn)行了詳細(xì)模擬和深入分析。模擬結(jié)果直觀地展示了流速、轉(zhuǎn)角角度和結(jié)構(gòu)尺寸等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響機(jī)制。在流場(chǎng)分布方面，隨著流速的增加，帶轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)周圍的渦街脫落現(xiàn)象愈發(fā)明顯，渦街的頻率和強(qiáng)度不斷變化。在低流速時(shí)，渦街脫落較弱，流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定；隨著流速的增大，渦街脫落加劇，流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。轉(zhuǎn)角角度對(duì)渦街脫落模式和頻率有著重要影響，30°轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)在相同流速下，渦街脫落的規(guī)律性較好，渦旋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較高；而15°