基于变质量的宽频VIV能量收集装置及其效率验证方法制造方法及图纸

基于变质量的宽频VIV能量收集装置及其效率验证方法。目前涡激振动能量收集装置在流速变化下，锁定区间随之变化，导致能量收集效率低。本发明专利技术中台架两侧分别设有多个驰振机构，纵向连接柱的顶端同轴设置有上筒体，上筒体顶端可拆卸连接有封盖，上筒体内设有电磁线圈，上筒体通过上弹性件与台架的两端相连接，纵向连接柱下端设有移动条，电磁发电机构输入端与移动条相连接；效率验证方法首先建立驰振能量振动方程模型，基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论指标值，将理论指标值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际指标值相比较，从而实现敏感性验证过程。验证过程。验证过程。

【技术实现步骤摘要】
基于变质量的宽频VIV能量收集装置及其效率验证方法

：
[0001]本专利技术具体涉及一种基于变质量的宽频VIV能量收集装置及其效率验证方法。

技术介绍
：
[0002]随着化石能源的消耗，环境污染问题的日益加剧。开发利用可再生能源成为了一种替代方法。海洋流能因为能量密度高，储量丰富可再生的特点，是当前再生能源利用的热点领域。涡激振动(VIV)是海洋工程领域一种常见的现象，圆柱体在来流作用下结构表面产生交替脱落的漩涡，漩涡作用于圆柱体后引发了结构振动。但目前涡激振动能量收集装置在流速变化下，锁定区间随之变化，导致能量收集效率低的问题，从而也缺少相关能量收集情况的有效验证手段，导致投入使用后的装置能量收集效率方面难以实现定量评价。

技术实现思路
：
[0003]为解决上述
技术介绍
中提及的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于变质量的宽频VIV能量收集装置及其效率验证方法。
[0004]基于变质量的宽频VIV能量收集装置，包括台架、电磁变质量装置、电磁发电机构、多个驰振机构和多个上弹性件，所述台架为匚字形架体；电磁变质量装置包括封盖、上筒体、纵向连接柱和移动条，纵向连接柱竖直设置在台架的上方，台架的两侧分别设置有多个驰振机构，纵向连接柱的顶端同轴设置有上筒体，上筒体顶端可拆卸连接有封盖，上筒体内设置有若干个电磁线圈，若干个电磁线圈之间形成有内腔，内腔内设置有若干个铁磁性小球，上筒体分别通过至少一个上弹性件与台架的两端相连接，纵向连接柱的下端设置有移动条，电磁发电机构设置在台架上，电磁发电机构的输入端与移动条相连接。
[0005]利用具体实施方式一至十二所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置实现的效率验证方法，首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论指标值，将理论指标值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际指标值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。
[0006]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0007]一、本专利技术中的基于变质量的宽频VIV能量收集装置的结构设计合理且简单，通过台架、电磁变质量装置、电磁发电机构、多个驰振机构和多个上弹性件之间相互配合工作原理就是通过电磁变质量装置通过多个上弹性件在台架上往复运动产生的涡激振动能量传递给电磁发电机构进行收集的过程。本专利技术通过将电磁变质量装置的固有频率设定为随漩涡泄放频率改变的动态值，直接地增大了锁定区间，增益发电效果，收集能量效果和收集效率持续稳定。
[0008]二、本专利技术中基于变质量的宽频VIV能量收集装置还配合效率验证方法实现对其自身收集能量的工作性能的评价过程，评价计算过程合理且准确，能够及时评价基于变质量的宽频VIV能量收集装置处于不同时间段下的工作性能，进而定量评价其工作效率，利于
为后续相关研究提供可靠数据。
附图说明：
[0009]为了易于说明，本专利技术由下述的具体实施及附图作以详细描述。
[0010]图1为本专利技术的第一立体结构示意图；
[0011]图2为本专利技术的第二立体结构示意图；
[0012]图3为本专利技术的第三立体结构示意图；
[0013]图4为电磁变质量装置的立体结构示意图；
[0014]图5为电磁变质量装置和电磁发电机构之间连接关系的第一立体结构示意图；
[0015]图6为电磁变质量装置和电磁发电机构之间连接关系的第二立体结构示意图；
[0016]图7为台架的立体结构示意图；
[0017]图8为驰振机构的立体结构示意图；
[0018]图9为上筒体和两个连接件之间连接关系的立体结构示意图；
[0019]图10为连接头的立体结构示意图；
[0020]图11为封盖和电磁线圈之间连接关系的立体结构示意图；
[0021]图12为封盖、纵向连接柱和电磁线圈之间连接关系的立体结构示意图；
[0022]图13为驰振机构的能量收集工作原理示意图；
[0023]图14为本专利技术与非宽频结构之间能量对比曲线图，图中横向坐标轴为流体速度，纵向坐标轴为净功率；
[0024]图15为本专利技术的固有频率、非宽频结构固有频率和漩涡泄放频率之间对比曲线图，图中横向坐标轴为流体速度，纵向坐标轴为固有频率；
[0025]图16为效率验证方法中初始值0.001步长0.1时的敏感验证示意图；
[0026]图17为效率验证方法中初始值0.01步长0.1时的敏感验证示意图；
[0027]图18为效率验证方法中初始值0.1步长0.001时的敏感验证示意图；
[0028]图19为效率验证方法中初始值0.1步长0.01时的敏感验证示意图；
[0029]图20为效率验证方法中初始值0.1步长0.1时的敏感验证示意图。
[0030]图中，1
‑
台架；1
‑1‑
底座；1
‑2‑
T形立柱；2
‑
电磁变质量装置；2
‑1‑
封盖；2
‑2‑
上筒体；2
‑3‑
纵向连接柱；2
‑4‑
移动条；3
‑
电磁发电机构；3
‑1‑
电磁发动机；3
‑2‑
输入轴；3
‑3‑
齿轮；4
‑
驰振机构；4
‑1‑
配重杆；4
‑2‑
方柱；4
‑3‑
压电片；5
‑
上弹性件；6
‑
连接件；6
‑1‑
连接块；6
‑2‑
第一光柱；7
‑
电磁线圈；8
‑
连接头；9
‑
第二通孔；10
‑
第二光柱；11
‑
下弹性件；12
‑
齿条；13
‑
插孔，14
‑
第一限位凸起；15
‑
第二限位凸起；16
‑
第三限位凸起；17
‑
第四限位凸起；18
‑
定位槽；19
‑
第一通孔；20
‑
铁磁性小球；21
‑
压电悬臂梁；22
‑
能量电路。
具体实施方式：
[0031]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本专利技术。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0032]在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅
示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：包括台架(1)、电磁变质量装置(2)、电磁发电机构(3)、多个驰振机构(4)和多个上弹性件(5)，所述台架(1)为匚字形架体；电磁变质量装置(2)包括封盖(2
‑
1)、上筒体(2
‑
2)、纵向连接柱(2
‑
3)和移动条(2
‑
4)，纵向连接柱(2
‑
3)竖直设置在台架(1)的上方，台架(1)的两侧分别设置有多个驰振机构(4)，纵向连接柱(2
‑
3)的顶端同轴设置有上筒体(2
‑
2)，上筒体(2
‑
2)顶端可拆卸连接有封盖(2
‑
1)，上筒体(2
‑
2)内设置有若干个电磁线圈(7)，若干个电磁线圈(7)之间形成有内腔，内腔内设置有若干个铁磁性小球(20)，上筒体(2
‑
2)分别通过至少一个上弹性件(5)与台架(1)的两端相连接，纵向连接柱(2
‑
3)的下端设置有移动条(2
‑
4)，电磁发电机构(3)设置在台架(1)上，电磁发电机构(3)的输入端与移动条(2
‑
4)相连接。2.根据权利要求1所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：所述台架(1)包括底座(1
‑
1)和两个T形立柱(1
‑
2)，底座(1
‑
1)水平设置，两个T形立柱(1
‑
2)竖直并列设置在底座(1
‑
1)的两端处；纵向连接柱(2
‑
3)处于两个T形立柱(1
‑
2)之间，每个T形立柱(1
‑
2)底端与底座(1
‑
1)固定连接，每个T形立柱(1
‑
2)顶部的两端各对应设置有一个驰振机构(4)。3.根据权利要求2所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：上筒体(2
‑
2)配合设置有两个连接件(6)，上筒体(2
‑
2)设置在两个连接件(6)之间，每个连接件(6)包括连接块(6
‑
1)和第一光柱(6
‑
2)，连接块(6
‑
1)的一端固定连接在上筒体(2
‑
2)的外壁上，连接块(6
‑
1)的另一端加工有第一通孔(19)，第一光柱(6
‑
2)的一端与两个T形立柱(1
‑
2)中的一个所述T形立柱(1
‑
2)固定连接，第一光柱(6
‑
2)的另一端穿过第一通孔(19)与两个T形立柱(1
‑
2)中的另一个所述T形立柱(1
‑
2)固定连接，上筒体(2
‑
2)通过连接块(6
‑
1)沿第一光柱(6
‑
2)的长度方向往复运动。4.根据权利要求2所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：纵向连接柱(2
‑
3)与移动条(2
‑
4)之间设置有连接头(8)，连接头(8)的上端与纵向连接柱(2
‑
3)的下端固定连接，连接头(8)的下端与移动条(2
‑
4)固定连接，连接头(8)上加工有第二通孔(9)，第二通孔(9)内穿设有第二光柱(10)，第二光柱(10)的两端分别与两个T形立柱(1
‑
2)固定连接；连接头(8)和每个T形立柱(1
‑
2)之间通过至少一个下弹性件(11)相连接。5.根据权利要求4所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：电磁发电机构(3)包括电磁发动机(3
‑
1)、输入轴(3
‑
2)和齿轮(3
‑
3)，电磁发动机(3
‑
1)与输入轴(3
‑
2)相连接，输入轴(3
‑
2)上套装有齿轮(3
‑
3)，所述移动条(2
‑
4)朝向齿轮(3
‑
3)的一侧面设置有齿条(12)，齿条(12)与齿轮(3
‑
3)相啮合配合。6.根据权利要求2、3、4或5所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置，其特征在于：驰振机构(4)包括配重杆(4
‑
1)、方柱(4
‑
2)和两个压电片(4
‑
3)，所述配重杆(4
‑
1)的长度方向与T形立柱(1
‑
2)的高度方向同向，方柱(4
‑
2)的一端与配重杆(4
‑
1)的中部固定连接，方柱(4
‑
2)的另一端与T形立柱(1
‑
2)固定连接，方柱(4
‑
2)的两侧外壁上分别设置有一个压电片(4
‑
3)。7.利用根据权利要求6所述的基于变质量的宽频VIV能量收集装置实现的效率验证方法，其特征在于：首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论指标值，将理论指标值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际指标值相
比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。8.根据权利要求7所述的效率验证方法，其特征在于：当选取的理论指标值为理论能量总值时，理论指标值对应的实际指标值为实际能量总值，建立驰振能量振动方程模型的具体过程为：根据驰振机构(4)的结构，建立控制方程，相关公式为公式一、公式二和公式三：根据驰振机构(4)的结构，建立控制方程，相关公式为公式一、公式二和公式三：根据驰振机构(4)的结构，建立控制方程，相关公式为公式一、公式二和公式三：在公式一、二和三中，A1,A2为经验参数，α为攻角，S为方柱截面面积，U为流速，F为纵向连接柱(2
‑
3)所受升力，ρ为来流密度，V(t)为时变电压，R为内阻，C
S
为电容，θ为机电耦合常数，w(t)为横向位移，K为弹性刚度，M为方柱质量，为C系统阻尼；在定常来流作用下，驰振机构(4)的压电片(4
‑
3)在外力作用下产生时变交流电压V(t)并传入能量电路(22)；所述能量电路(22)包括三部分：第一部分为D1
‑
D4组成的桥式整流电路，将交流电转化为脉冲直流电，该桥式整流电路的输出电流计算方式为：上式中，V
交
(t),I
交
(t)为驰振机构产生的交变电压与交变电流，I
直
为输出的直流电流，R为直流电路的外接负载，此时得到的直流电I
直
输入基于变质量的宽频VIV能量收集装置，驱使基于变质量的宽频VIV能量收集装置工作；根据安培环路定理，在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，公式为：上式中，N为电磁线圈(7)的线圈匝数，u为磁导率，I为闭合路径中的恒常电流，B为磁感应强度，r为纵向连接柱(2
‑
3)外圆半径，即设定在电磁变质量装置(2)外存在一闭合路径，长度近似等于纵向连接柱(2
‑
3)外圆大小；根据麦克斯韦吸引力定律，求得基于变质量的宽频VIV能量收集装置的吸引力，公式为：上式中，F
Maxwell
为麦克斯韦吸引力，A为纵向连接柱(2
‑
3)外圆面积；根据得到的麦克斯韦吸引力，计算得出吸附质量；公式为：F
Maxwell
/g＝M
iron
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)上式中，M

【专利技术属性】
技术研发人员：高云，刘磊，柴盛林，潘港辉，姜泽成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：