专利名称：一种时均流发电装置及方法
技术领域：
本发明涉及发电装置及方法，尤其涉及一种时均流发电装置及方法。
背景技术：
时均流，也称平均流(Mean flow)，是指具有显著动能的单向流动流体，包括自然风、管道内气流、水流等。在日常生活中就有时均流激声的例子当对着竖直放置的瓶口水平吹气时，可以听到瓶内传出的嗡嗡声，这说明口中吹出的气流(时均流)在瓶内引起了声振荡(自激振荡)。从气动声学角度看，该现象可概括为具有一定动能的时均流诱导出有规律的具有交变流特性的空气声场，其背后有着复杂的能量传递过程，首先，当气流掠过时，不稳定粘性边界层在瓶口脱离；其次，脱离的边界层在瓶口又以漩涡的形式卷起形成涡结构，并向瓶内的声场传递能量；再次，能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形成。整个过程形成一个能量反馈回路，具有高度的谐振特性。如果把口中吹出的气流换成高速管道气流或自然风，瓶子换成特制的单端开口密闭腔体，高速气流会向腔体内传递大的多的能量，从而诱导出一个具有大声能密度的驻波声场，即时均流在特殊的管道装置下诱导出稳定的声场，这种效应称为时均流激声效应。德国Karlsru大学的Naudascher和美国Lehigh大学的Rockwell根据形成机理把时均流激声分成三大类1)流体-动力振荡型，特征是振荡源于流体流动的固有不稳定性，纯的流体-动力振荡只发生于腔体深度与振荡波长相比很小的情况；2)流体-谐振振荡型，特征是流体振荡受谐振波动(驻波声场)效应影响显著，频率较高，腔体的深度与波长处于同一量级；3)流体-弹性振荡型，特征是流体振荡与固体边界的运动耦合在一起，此类振荡发生于当腔体的一个或多个壁面经历较大位移，且足够对时均流的剪切边界层扰动施加反作用。上世纪七十年代以来，针对流体-谐振振荡的研究逐渐增多，这类研究的对象都可以抽象成一个主流管道和一个截面尺寸相当的单端开口密闭支路，二者内的流体相互连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。典型的十字形结构示意图如图1所示，该类振荡中的支路腔体为1/4波长谐振器(λ = 4L)，曲线表示驻波声场的压力振幅分布。大部分前期研究的目的是消除流体输送管道中自激强振荡引起的结构振动、疲劳破坏和噪音。事实上，时均流激声效应也衍生出一种有效的能量利用方式，已有实验研究表明，自然风等时均流在密闭腔体内诱导出具有高能量密度和稳定频率特性的驻波声场，其压力振幅能够达到15%。如图1、2所示，谐振管内的驻波声场以正弦规律变化，可表示为
p(i) = Pp Sm(M)(1)
(1)式中&为压力振幅， 是声场的角速度，则作用于压电换能器的力也以正弦规律变化
F(￡) = Fp Sin(OK)(2)此时，压电换能器的输出电压为 (3)式中％是电压振幅，炉是相位差，由此可以得到输出电功率为
(4)式中Γ=2Λ"/ 为波动周期，R1为等效电路负载。本专利将时均流激声效应和压电效应通过流固耦合作用构成一个独立的发电装置。
发明内容
本发明的目的在于采用新型的能源利用方式，提供一种时均流发电装置及方法。时均流发电装置包括驱动管上游段、驱动管下游段、谐振管、夹持装置和压电换能器；在谐振管中部两侧分别与驱动管上游段、驱动管下游段相通，谐振管两端封闭，谐振管的两个封闭端设有夹持装置或谐振管的侧壁设有一个或多个夹持装置，谐振管的两个封闭端内侧设有压电换能器并与夹持装置相连，或谐振管的侧壁内设有一个或多个压电换能器并分别与一个或多个夹持装置相连。所述的驱动管上游段、驱动管下游段的截面为圆形、四边形，其外形轮廓可以是等
截面管、变径管。所述的谐振管的截面为圆形或四边形，谐振管的外形轮廓为等截面管、变径管或一端具有多个分支的分叉型管。所述的压电换能器为平板压电陶瓷换能器、钹型换能器或悬臂梁换能器。时均流发电方法是时均流在驱动管中流经驱动管上游段和谐振管连接处的几何突变，使驱动管上游段的边界层流体脱落，并在谐振管的开口处形成漩涡，漩涡与谐振管内的流体交换能量，引起谐振管内流体的自激振荡，自激振荡产生的压力波作用在谐振管内布设的压电换能器上产生电能，从而完成了时均流能量一声场能一电能的转化过程。所述的时均流为具有显著动能的单向流体。所述的具有显著动能的单向流体为风或管道流体。本发明提出的时均流发电装置完全不同于现有方式驱动的发电装置。首先该装置基于空气声学，将时均流转化为一个频率稳定的、具有较高能流密度的驻波声场。其次，根据压电换能器的响应特性和布置需要，可以改变管道的尺寸、截面形状以及谐振管的数量，以获得最佳的匹配性能。特别地，这种能量转化装置结构简单、寿命长、免维护，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法。
图1是时均流发电装置原理示意图；图2是电能收集原理示意图3是本发明提供的时均流发电装置实施例的结构示意图；图4是钹型换能器安装方式示意4图5是悬臂梁换能器安装方式示意图中驱动管上游段1、驱动管下游段2、谐振管3、夹持装置4、压电换能器5。
具体实施例方式时均流发电装置包括驱动管上游段1、驱动管下游段2、谐振管3、夹持装置4和压电换能器5 ；在谐振管3中部两侧分别与驱动管上游段1、驱动管下游段2相通，谐振管3两端封闭，谐振管3的两个封闭端设有夹持装置4或谐振管3的侧壁设有一个或多个夹持装置4，谐振管3的两个封闭端内侧设有压电换能器5并与夹持装置4相连，或谐振管3的侧壁内设有一个或多个压电换能器5并分别与一个或多个夹持装置4相连。所述的驱动管上游段1和驱动管下游段2的截面为圆形或四边形，驱动管上游段1和驱动管下游段2的外形轮廓为等截面管或变径管。所述的谐振管3的截面为圆形或四边形，谐振管3的外形轮廓为等截面管、变径管或一端具有多个分支的分叉型管。时均流发电方法是时均流在驱动管中流经驱动管上游段1和谐振管3连接处的几何突变，使驱动管上游段1的边界层流体脱落，并在谐振管3的开口处形成漩涡，漩涡与谐振管3内的流体交换能量，引起谐振管3内流体的自激振荡，自激振荡产生的压力波作用在谐振管3内布设的压电换能器5上产生电能，从而完成了时均流能量一声场能一电能的转化过程。所述的时均流为具有显著动能的单向流体。所述的具有显著动能的单向流体为风或管道流体。如图3所示，压电换能器5为平板压电陶瓷换能器。如图4所示，压电换能器5可以采用为钹型换能器。钹型换能器可以布置在谐振管内，优先考虑布设在谐振管的两端，可以达到最佳的效果。如图5所示，压电换能器5可以采用为悬臂梁换能器布设在谐振管内。需要说明的是根据压电换能器的响应特性和布置需要，可以改变时均流发电装置中管道的尺寸、截面形状以及谐振管的数量，以获得最佳的匹配性能。谐振管与驱动管上游段和驱动管下游段的连接形式可以是直角或圆角型式，只是在同一时均流速下激发的声场强度有所不同。另外谐振管可以在不影响内部声场和不引起较大耗散的情况下任意弯曲，也不必与驱动管垂直，可以成任意的角度，只要能够激发出稳定的声场就可以驱动发电装置工作。
权利要求
1.一种时均流发电装置，其特征在于包括驱动管上游段(1)、驱动管下游段(2)、谐振管(3)、夹持装置(4)和压电换能器(5);在谐振管(3)中部两侧分别与驱动管上游段(1)、驱动管下游段(2)相通，谐振管(3)两端封闭，谐振管(3)的两个封闭端设有夹持装置(4)或谐振管(3)的侧壁设有一个或多个夹持装置(4)，谐振管(3)的两个封闭端内侧设有压电换能器(5 )并与夹持装置(4 )相连，或谐振管(3 )的侧壁内设有一个或多个压电换能器(5 )并分别与一个或多个夹持装置(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种时均流发电装置，其特征在于所述的驱动管上游段(1)和驱动管下游段(2)的截面为圆形或四边形，驱动管上游段(1)和驱动管下游段(2)的外形轮廓为等截面管或变径管。
3.根据权利要求1所述的一种时均流发电装置，其特征在于所述的谐振管(3)的截面为圆形或四边形，谐振管(3)的外形轮廓为等截面管、变径管或一端具有多个分支的分叉型管。
4.根据权利要求1所述的一种时均流发电装置，其特征在于所述的压电换能器(5)为平板压电陶瓷换能器、钹型换能器或悬臂梁换能器。
5.—种使用如权利要求1所述装置的时均流发电方法，其特征在于时均流在驱动管中流经驱动管上游段(1)和谐振管(3)连接处的几何突变，使驱动管上游段(1)的边界层流体脱落，并在谐振管(3)的开口处形成漩涡，漩涡与谐振管(3)内的流体交换能量，引起谐振管(3)内流体的自激振荡，自激振荡产生的压力波作用在谐振管(3)内布设的压电换能器(5)上产生电能，从而完成了时均流能量一声场能一电能的转化过程。
6.根据权利要求5所述的一种时均流发电方法，其特征在于所述的时均流为具有显著动能的单向流体。
7.根据权利要求6所述的一种时均流发电方法，其特征在于所述的具有显著动能的单向流体为风或管道流体。
全文摘要
本发明公开了一种时均流发电装置及方法。它包括驱动管上游段、驱动管下游段、谐振管、夹持装置和压电换能器；在谐振管中部两侧分别与驱动管上游段、驱动管下游段相通，谐振管两端封闭，谐振管的两个封闭端设有夹持装置或谐振管的侧壁设有一个或多个夹持装置，谐振管的两个封闭端内侧设有压电换能器并与夹持装置相连，或谐振管的侧壁内设有一个或多个压电换能器并分别与一个或多个夹持装置相连。时均流是具有显著动能的单向流体，时均流进入驱动管并诱导谐振管内产生声场，从而驱动压电换能器发电。本发明提出的时均流发电装置结构简单、寿命长、免维护，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法。
文档编号H02N2/18GK102394558SQ20111028287
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者孙大明, 徐雅, 沈惬, 钟会球, 陈海俊 申请人:浙江大学