專利名稱：一種時均流發(fā)電裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電裝置及方法，尤其涉及一種時均流發(fā)電裝置及方法。
背景技術(shù)：
時均流，也稱平均流(Mean flow)，是指具有顯著動能的單向流動流體，包括自然風(fēng)、管道內(nèi)氣流、水流等。在日常生活中就有時均流激聲的例子當(dāng)對著豎直放置的瓶口水平吹氣時，可以聽到瓶內(nèi)傳出的嗡嗡聲，這說明口中吹出的氣流(時均流)在瓶內(nèi)引起了聲振蕩(自激振蕩)。從氣動聲學(xué)角度看，該現(xiàn)象可概括為具有一定動能的時均流誘導(dǎo)出有規(guī)律的具有交變流特性的空氣聲場，其背后有著復(fù)雜的能量傳遞過程，首先，當(dāng)氣流掠過時，不穩(wěn)定粘性邊界層在瓶口脫離；其次，脫離的邊界層在瓶口又以漩渦的形式卷起形成渦結(jié)構(gòu)，并向瓶內(nèi)的聲場傳遞能量；再次，能量的傳遞和聲場的存在又反過來影響了隨后的漩渦的形成。整個過程形成一個能量反饋回路，具有高度的諧振特性。如果把口中吹出的氣流換成高速管道氣流或自然風(fēng)，瓶子換成特制的單端開口密閉腔體，高速氣流會向腔體內(nèi)傳遞大的多的能量，從而誘導(dǎo)出一個具有大聲能密度的駐波聲場，即時均流在特殊的管道裝置下誘導(dǎo)出穩(wěn)定的聲場，這種效應(yīng)稱為時均流激聲效應(yīng)。德國Karlsru大學(xué)的Naudascher和美國Lehigh大學(xué)的Rockwell根據(jù)形成機(jī)理把時均流激聲分成三大類1)流體-動力振蕩型，特征是振蕩源于流體流動的固有不穩(wěn)定性，純的流體-動力振蕩只發(fā)生于腔體深度與振蕩波長相比很小的情況；2)流體-諧振振蕩型，特征是流體振蕩受諧振波動(駐波聲場)效應(yīng)影響顯著，頻率較高，腔體的深度與波長處于同一量級；3)流體-彈性振蕩型，特征是流體振蕩與固體邊界的運動耦合在一起，此類振蕩發(fā)生于當(dāng)腔體的一個或多個壁面經(jīng)歷較大位移，且足夠?qū)r均流的剪切邊界層擾動施加反作用。上世紀(jì)七十年代以來，針對流體-諧振振蕩的研究逐漸增多，這類研究的對象都可以抽象成一個主流管道和一個截面尺寸相當(dāng)?shù)膯味碎_口密閉支路，二者內(nèi)的流體相互連通，主流管道內(nèi)是時均流場，密閉支路內(nèi)建立的是駐波聲場。典型的十字形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該類振蕩中的支路腔體為1/4波長諧振器(λ = 4L)，曲線表示駐波聲場的壓力振幅分布。大部分前期研究的目的是消除流體輸送管道中自激強(qiáng)振蕩引起的結(jié)構(gòu)振動、疲勞破壞和噪音。事實上，時均流激聲效應(yīng)也衍生出一種有效的能量利用方式，已有實驗研究表明，自然風(fēng)等時均流在密閉腔體內(nèi)誘導(dǎo)出具有高能量密度和穩(wěn)定頻率特性的駐波聲場，其壓力振幅能夠達(dá)到15%。如圖1、2所示，諧振管內(nèi)的駐波聲場以正弦規(guī)律變化，可表示為
p(i) = Pp Sm(M)(1)
(1)式中&為壓力振幅， 是聲場的角速度，則作用于壓電換能器的力也以正弦規(guī)律變化
F(￡) = Fp Sin(OK)(2)此時，壓電換能器的輸出電壓為 (3)式中％是電壓振幅，爐是相位差，由此可以得到輸出電功率為
(4)式中Γ=2Λ"/ 為波動周期，R1為等效電路負(fù)載。本專利將時均流激聲效應(yīng)和壓電效應(yīng)通過流固耦合作用構(gòu)成一個獨立的發(fā)電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用新型的能源利用方式，提供一種時均流發(fā)電裝置及方法。時均流發(fā)電裝置包括驅(qū)動管上游段、驅(qū)動管下游段、諧振管、夾持裝置和壓電換能器；在諧振管中部兩側(cè)分別與驅(qū)動管上游段、驅(qū)動管下游段相通，諧振管兩端封閉，諧振管的兩個封閉端設(shè)有夾持裝置或諧振管的側(cè)壁設(shè)有一個或多個夾持裝置，諧振管的兩個封閉端內(nèi)側(cè)設(shè)有壓電換能器并與夾持裝置相連，或諧振管的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有一個或多個壓電換能器并分別與一個或多個夾持裝置相連。所述的驅(qū)動管上游段、驅(qū)動管下游段的截面為圓形、四邊形，其外形輪廓可以是等
截面管、變徑管。所述的諧振管的截面為圓形或四邊形，諧振管的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。所述的壓電換能器為平板壓電陶瓷換能器、鈸型換能器或懸臂梁換能器。時均流發(fā)電方法是時均流在驅(qū)動管中流經(jīng)驅(qū)動管上游段和諧振管連接處的幾何突變，使驅(qū)動管上游段的邊界層流體脫落，并在諧振管的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管內(nèi)的流體交換能量，引起諧振管內(nèi)流體的自激振蕩，自激振蕩產(chǎn)生的壓力波作用在諧振管內(nèi)布設(shè)的壓電換能器上產(chǎn)生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉(zhuǎn)化過程。所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。所述的具有顯著動能的單向流體為風(fēng)或管道流體。本發(fā)明提出的時均流發(fā)電裝置完全不同于現(xiàn)有方式驅(qū)動的發(fā)電裝置。首先該裝置基于空氣聲學(xué)，將時均流轉(zhuǎn)化為一個頻率穩(wěn)定的、具有較高能流密度的駐波聲場。其次，根據(jù)壓電換能器的響應(yīng)特性和布置需要，可以改變管道的尺寸、截面形狀以及諧振管的數(shù)量，以獲得最佳的匹配性能。特別地，這種能量轉(zhuǎn)化裝置結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、免維護(hù)，為利用廣泛存在的管道流體能和風(fēng)能等提供了一種高效、可靠的方法。


圖1是時均流發(fā)電裝置原理示意圖；圖2是電能收集原理示意圖3是本發(fā)明提供的時均流發(fā)電裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是鈸型換能器安裝方式示意4圖5是懸臂梁換能器安裝方式示意圖中驅(qū)動管上游段1、驅(qū)動管下游段2、諧振管3、夾持裝置4、壓電換能器5。
具體實施例方式時均流發(fā)電裝置包括驅(qū)動管上游段1、驅(qū)動管下游段2、諧振管3、夾持裝置4和壓電換能器5 ；在諧振管3中部兩側(cè)分別與驅(qū)動管上游段1、驅(qū)動管下游段2相通，諧振管3兩端封閉，諧振管3的兩個封閉端設(shè)有夾持裝置4或諧振管3的側(cè)壁設(shè)有一個或多個夾持裝置4，諧振管3的兩個封閉端內(nèi)側(cè)設(shè)有壓電換能器5并與夾持裝置4相連，或諧振管3的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有一個或多個壓電換能器5并分別與一個或多個夾持裝置4相連。所述的驅(qū)動管上游段1和驅(qū)動管下游段2的截面為圓形或四邊形，驅(qū)動管上游段1和驅(qū)動管下游段2的外形輪廓為等截面管或變徑管。所述的諧振管3的截面為圓形或四邊形，諧振管3的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。時均流發(fā)電方法是時均流在驅(qū)動管中流經(jīng)驅(qū)動管上游段1和諧振管3連接處的幾何突變，使驅(qū)動管上游段1的邊界層流體脫落，并在諧振管3的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管3內(nèi)的流體交換能量，引起諧振管3內(nèi)流體的自激振蕩，自激振蕩產(chǎn)生的壓力波作用在諧振管3內(nèi)布設(shè)的壓電換能器5上產(chǎn)生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉(zhuǎn)化過程。所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。所述的具有顯著動能的單向流體為風(fēng)或管道流體。如圖3所示，壓電換能器5為平板壓電陶瓷換能器。如圖4所示，壓電換能器5可以采用為鈸型換能器。鈸型換能器可以布置在諧振管內(nèi)，優(yōu)先考慮布設(shè)在諧振管的兩端，可以達(dá)到最佳的效果。如圖5所示，壓電換能器5可以采用為懸臂梁換能器布設(shè)在諧振管內(nèi)。需要說明的是根據(jù)壓電換能器的響應(yīng)特性和布置需要，可以改變時均流發(fā)電裝置中管道的尺寸、截面形狀以及諧振管的數(shù)量，以獲得最佳的匹配性能。諧振管與驅(qū)動管上游段和驅(qū)動管下游段的連接形式可以是直角或圓角型式，只是在同一時均流速下激發(fā)的聲場強(qiáng)度有所不同。另外諧振管可以在不影響內(nèi)部聲場和不引起較大耗散的情況下任意彎曲，也不必與驅(qū)動管垂直，可以成任意的角度，只要能夠激發(fā)出穩(wěn)定的聲場就可以驅(qū)動發(fā)電裝置工作。
權(quán)利要求
1.一種時均流發(fā)電裝置，其特征在于包括驅(qū)動管上游段(1)、驅(qū)動管下游段(2)、諧振管(3)、夾持裝置(4)和壓電換能器(5);在諧振管(3)中部兩側(cè)分別與驅(qū)動管上游段(1)、驅(qū)動管下游段(2)相通，諧振管(3)兩端封閉，諧振管(3)的兩個封閉端設(shè)有夾持裝置(4)或諧振管(3)的側(cè)壁設(shè)有一個或多個夾持裝置(4)，諧振管(3)的兩個封閉端內(nèi)側(cè)設(shè)有壓電換能器(5 )并與夾持裝置(4 )相連，或諧振管(3 )的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有一個或多個壓電換能器(5 )并分別與一個或多個夾持裝置(4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時均流發(fā)電裝置，其特征在于所述的驅(qū)動管上游段(1)和驅(qū)動管下游段(2)的截面為圓形或四邊形，驅(qū)動管上游段(1)和驅(qū)動管下游段(2)的外形輪廓為等截面管或變徑管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時均流發(fā)電裝置，其特征在于所述的諧振管(3)的截面為圓形或四邊形，諧振管(3)的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時均流發(fā)電裝置，其特征在于所述的壓電換能器(5)為平板壓電陶瓷換能器、鈸型換能器或懸臂梁換能器。
5.—種使用如權(quán)利要求1所述裝置的時均流發(fā)電方法，其特征在于時均流在驅(qū)動管中流經(jīng)驅(qū)動管上游段(1)和諧振管(3)連接處的幾何突變，使驅(qū)動管上游段(1)的邊界層流體脫落，并在諧振管(3)的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管(3)內(nèi)的流體交換能量，引起諧振管(3)內(nèi)流體的自激振蕩，自激振蕩產(chǎn)生的壓力波作用在諧振管(3)內(nèi)布設(shè)的壓電換能器(5)上產(chǎn)生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉(zhuǎn)化過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種時均流發(fā)電方法，其特征在于所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種時均流發(fā)電方法，其特征在于所述的具有顯著動能的單向流體為風(fēng)或管道流體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種時均流發(fā)電裝置及方法。它包括驅(qū)動管上游段、驅(qū)動管下游段、諧振管、夾持裝置和壓電換能器；在諧振管中部兩側(cè)分別與驅(qū)動管上游段、驅(qū)動管下游段相通，諧振管兩端封閉，諧振管的兩個封閉端設(shè)有夾持裝置或諧振管的側(cè)壁設(shè)有一個或多個夾持裝置，諧振管的兩個封閉端內(nèi)側(cè)設(shè)有壓電換能器并與夾持裝置相連，或諧振管的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有一個或多個壓電換能器并分別與一個或多個夾持裝置相連。時均流是具有顯著動能的單向流體，時均流進(jìn)入驅(qū)動管并誘導(dǎo)諧振管內(nèi)產(chǎn)生聲場，從而驅(qū)動壓電換能器發(fā)電。本發(fā)明提出的時均流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、免維護(hù)，為利用廣泛存在的管道流體能和風(fēng)能等提供了一種高效、可靠的方法。
文檔編號H02N2/18GK102394558SQ20111028287
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者孫大明, 徐雅, 沈愜, 鐘會球, 陳海俊 申請人:浙江大學(xué)