[发明专利]一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统

说明书

本发明提供一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，包括振动实验装置和与振动实验系统连接的Vck系统；所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板，本发明使用方便，成本适中，为模块化设计，调试后可以多模块同时进行实验，达到较为精确良好的实验效果；本发明是对原线性弹簧刚度振子系统的改进，克服了原系统不能完全模拟系统的粘性阻尼等缺点，使得实验更贴近实际情况。

技术领域

本发明涉及一种非线性振动系统，尤其涉及一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，属于新能源领域。

背景技术

目前对于VIV的研究主要研究对象主要为线性弹簧刚度的圆柱振子，研究表明振子的固有频率是基于流致振动能量系统中的一个重要参数，它会很大程度的影响VIV上支分段范围以及驰振阶段的振子频率，但不改变驰振激发速度。随着固有频率的升高，振子起振的初始分支的雷诺数/流速会提高，高弹簧刚度对于与低刚度振幅较小；在上支阶段(高收集能量阶段)，高弹簧刚度/固有频率的振子，其上支振动范围较宽，但进入此振动范围的起始速度较高。基于PTC圆柱，对系统的刚度、质量比与附加阻尼三个参数进行详细的研究发现，在测试流速范围内，驰振阶段与高固有频率/系统刚度下，PTC圆柱振子有较高的能量收集效率，而其振幅随着固有频率的增加而降低。基于升力技术的能量收集由振动频率与振幅来决定，所以具有不同振动频率的非线性弹簧刚度的振子理论上可达到更高的能量收集效果。VIVACE圆柱振子系统的目标是将流体能量转化为机械能，然后通过发电机转化成电能来储存。后者一般在研究中表现为附加阻尼(热能损耗)消耗的能量。由于驰振的机制为不稳定性振动，它的振动频率保持在圆柱振子在水中的固有频率，另一方面，振幅取决于阻尼的影响。那么，振子的振动速度取决于阻尼和固有频率的联合影响。在较低的线性阻尼下，振幅会随之增大，进而产生破坏性驰振振动(高速)，导致功率较低；另一方面，增加附加线性阻尼(发电机)，由于流致振动会受到抑制，导致圆柱振子没有足够的速度来维持持续的能源输出。

基于前期的分段非线性弹簧(Ma et al.2017,Sun et al.2018)研究成果，并基于虚拟弹簧阻尼Vck系统，从圆柱振子的自振频率角度出发进行研究，提出三次函数非线性弹簧(cubic restoring force functions)。由此，我们提出了一种基于振动速度变化的非线性/自适应性阻尼(Nonlinear/adaptive damping)，来取代以前研究中的线性附加粘滞性阻尼(Linear viscous damping)，这种自适应式阻尼在高速读取圆柱振子的振动速度基础上，进行相关的调整，进而达到一个圆柱振子振动速度与附加阻尼的平衡范围。

通过实验计算可知，不同的流速下，同一系统弹簧刚度收集能量的效率不同；

系统在不同流速下使能量收集最大化的弹簧刚度不同，所以加入流速传感器，使系统可以根据流速实时调整系统弹簧刚度，使得能量收集最大化。

发明内容

本发明的目的是为了克服了原系统不能完全模拟系统的粘性阻尼等缺点而提供一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于流致振动能量收集的非线性振动系统，包括振动实验装置和与振动实验系统连接的Vck系统；所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板。

本发明还包括这样一些特征：