繩麗潔 王軍雷

(鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，鄭州 450001)

引言

近年來，石油、煤炭等化石燃料的燃燒造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題.同時，化石能源日益枯竭，能源短缺問題惡化，使可再生能源的開發(fā)和利用得到了密切關(guān)注.目前，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSNs)、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)和無人機(jī)(wnmanned aerial vehicle,UAV)等技術(shù)飛速發(fā)展，微電子產(chǎn)品自供能技術(shù)的開發(fā)問題亟待解決.傳統(tǒng)電池存在容量有限、壽命較短、更換回收成本高、續(xù)航問題嚴(yán)重及環(huán)境污染等問題[1]，環(huán)境能量俘獲技術(shù)因其可從環(huán)境中獲取可再生能源并為電子元件進(jìn)行供電，受到研究者廣泛關(guān)注.

流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生周期性激振力并誘發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，被稱為流致振動(flow-induced vibration，F(xiàn)IV)[2].流致振動俘能技術(shù)可以采集環(huán)境中的流體動能，在土木工程、風(fēng)能工程和海洋工程等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注.從環(huán)境中收集流體動能并將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能可以為自供能技術(shù)提供有利支持.因此探索流致振動能量俘獲機(jī)理，設(shè)計并優(yōu)化流致振動俘能系統(tǒng)，具有重要學(xué)術(shù)價值和工程實際意義.

能量轉(zhuǎn)換存在多種機(jī)制，常見的俘能系統(tǒng)根據(jù)機(jī)理不同可分為電磁式[3,4]、靜電式[5,6]、摩擦電式[7-9]和壓電式[10-13].電磁式是利用線圈切割磁感線的原理.靜電式的關(guān)鍵部件是可變電容器，它通過改變電容將機(jī)械運動的能量轉(zhuǎn)化為電能[14].摩擦電式俘能裝置的原理是兩種電負(fù)性不同的材料之間相接觸而引起電子的轉(zhuǎn)移，當(dāng)接觸面發(fā)生分離時，器件會產(chǎn)生交流電輸出[15].壓電式俘能裝置是通過材料發(fā)生機(jī)械形變產(chǎn)生電荷并通過振動載荷以產(chǎn)生交變電壓.壓電式俘能裝置所俘獲的電能可以與微機(jī)電系統(tǒng)實現(xiàn)較好的融合，同時具備體積小、結(jié)構(gòu)簡單、對工作環(huán)境要求低、無熱效應(yīng)、所采集的能量密度高、不受電磁波影響等優(yōu)點[16]，因此受到較多研究者關(guān)注.

較低流速的流致振動通常指渦激振動和馳振.其中，渦激振動是由流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)表面時產(chǎn)生的旋渦脫落引起的周期性結(jié)構(gòu)振動[2].當(dāng)鈍體的渦激振動頻率與其固有頻率接近時，存在一種特殊的“頻率鎖定(lock-in) 現(xiàn)象[17,18].當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生鎖振時，振幅隨流速增大，但頻率保持不變.渦激振動按振幅大小及頻率鎖定情況分為初始分支、上分支和下分支.渦激振動的“鎖定”現(xiàn)象往往會對工程結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響，因而需要被抑制或消除.然而利用其振幅大、頻率穩(wěn)定的特點，流致振動俘能裝置(flow-induced vibration energy harvester, FIVEH)的設(shè)計近年來得到快速發(fā)展.Bernitsas等[19]首次提出渦激振動海洋清潔能源系統(tǒng)(vortex-induced vibration aquatic clean energy, VIVACE)，基于渦激振動原理將潮汐能轉(zhuǎn)化為振動能，再通過電磁感應(yīng)機(jī)制將振動能轉(zhuǎn)化為電能.馳振通常包括垂直于來流方向的橫風(fēng)向馳振和扭轉(zhuǎn)馳振兩種，是一種發(fā)散性自激振動[2].馳振是一種典型的發(fā)散性自激振動，其產(chǎn)生原因是升力隨攻角曲線具有負(fù)斜率，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)阻尼，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)從外界持續(xù)吸收能量并產(chǎn)生發(fā)散性振動.研究者對基于馳振的流致振動俘能系統(tǒng)也進(jìn)行了研究，如Barrero等[20]對基于馳振能量采集的可能性進(jìn)行了分析，并提出其數(shù)學(xué)模型.基于馳振的理論模型，建立了質(zhì)量和機(jī)械能、橫截面的幾何形狀、流速以及能量效率之間的關(guān)系.

研究表明，從渦激振動和馳振中獲取振動能量的方式具有可行性[21,22].為了加強(qiáng)流致振動、提高能量采集的性能，研究者們進(jìn)行了一系列的探索，設(shè)計了大量的新型流致振動俘能裝置.本文第1節(jié)介紹了在鈍體表面加裝附著裝置[23]的流致振動俘能研究.通過在鈍體表面放置粗糙帶、小尺寸桿狀附件、分隔板等附件以優(yōu)化俘能裝置的性能.第2節(jié)介紹了通過鈍體組合或改變鈍體的形狀以實現(xiàn)渦-馳耦合振動的俘能裝置，從而將兩種振動的優(yōu)勢結(jié)合起來.第3節(jié)通過引入非線性磁力[24-27]來提高俘能裝置的采集性能和實際環(huán)境中的適用性.第4節(jié)基于等效電路的方法研究了復(fù)雜電路接口對俘能裝置的影響.第5節(jié)提出了目前流致振動俘能技術(shù)存在的問題與挑戰(zhàn).第6節(jié)對本文進(jìn)行了總結(jié)，提出了對未來流致振動能量收集發(fā)展的展望.本文旨在對流致振動俘能技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為后續(xù)流致振動俘能裝置的研發(fā)提供一定參考.

1 鈍體表面加裝附著裝置

由于鈍體結(jié)構(gòu)表面的粗糙性、附著物等會對其承受空氣繞流時的氣動力響應(yīng)產(chǎn)生影響，因此，研究者展開了在鈍體表面放置附屬結(jié)構(gòu)或裝置的研究.例如在圓柱表面裝備附屬物來控制流致振動，這種方法稱為被動湍流控制(passive turbulence control, PTC)[28].Ding等[28]在圓柱體前側(cè)表面對稱連接兩個粗糙帶，通過計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamic，CFD)和實驗的方法對PTC俘能裝置進(jìn)行研究，如圖1所示.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PTC可顯著提高渦激振動水生清潔能源的振動響應(yīng)和俘能效率.基于上述研究，章大海等[29]對放置非對稱粗糙帶的單圓柱流致振動進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明：與放置對稱粗糙帶的圓柱相比，帶有非對稱粗糙帶圓柱的俘能裝置在渦激振動上分支有更大的輸出功率.但是，上述研究僅考慮了粗糙帶在固定安裝角度對能量收集器的影響，事實上，不同的安裝位置將帶來不同的影響.Wang等[30]系統(tǒng)地研究了連接在鈍體表面上不同厚度和放置角度的粗糙帶對渦激振動振幅和輸出功率的影響.結(jié)果顯示：在鈍體表面放置W=8mm(寬度)、θ= 60°(θ表示從前駐點測量的周向位置)的粗糙帶，可顯著擴(kuò)大圓柱的共振區(qū)間，并提高輸出功率.然而，該研究只針對粗糙帶的安裝位置和厚度進(jìn)行研究，并未討論粗糙帶的形狀對鈍體表面氣動力的影響.Zhu等[31]采用雙向流固耦合的方法研究了高雷諾數(shù)下粗糙帶的安裝角度和形狀對圓柱體俘能器的影響．從湍流強(qiáng)度、旋渦脫落模式和尾跡寬度的變化可以看出，振動響應(yīng)由渦激振動向馳振轉(zhuǎn)變，大幅提高了能量收集性能.此外，研究者對于帶有小尺寸桿狀附件俘能裝置的性能也進(jìn)行了研究.Wang等[32]提出了一種帶有兩個小直徑圓柱桿的圓柱鈍體俘能裝置，并對該裝置進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，CFD網(wǎng)格如圖 2(a-b)所示.在計算雷諾數(shù)范圍內(nèi)，小圓柱桿放置在圓柱鈍體上的角度為55°～65°的范圍內(nèi)都具有良好的能量采集性能.通常，有尖角的附件更容易增強(qiáng)振動[33].Hu等[34]比較了三種不同橫截面形狀(圓形、三角形和正方形)的桿狀附件在不同放置角度對俘能裝置性能的影響效果，如圖 3(a-b)所示.其中安裝在θ=60°的三角形桿圓柱風(fēng)能采集器的性能最優(yōu).

圖1 清潔能源渦激振動采集器的物理模型示意圖

圖2 (a)背景網(wǎng)格；(b)重疊網(wǎng)格

圖3 連接不同截面桿的圓柱風(fēng)能采集器:(a)基于光滑圓柱的風(fēng)能采集器；(b)連接在主圓柱上的三個不同形狀(圓形、等邊三角形和正方形)附桿

近年來，研究者致力在鈍體上安裝分隔板，以提高能量收集性能.例如，對于基于圓柱鈍體的能量采集器，首先研究了分隔板的長度對能量采集器性能的影響.Song等[35]指出，在圓柱尾跡附近放置分隔板可以改善風(fēng)致振動壓電能量采集器的性能.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：長度為0.65D(D為圓柱的直徑)的分隔板是提高采集性能的最佳長度.隨后，探討了分隔板安裝角度對能量采集器性能的影響.Wang等[36]設(shè)計了一種帶有兩個分隔板的壓電能量采集裝置，研究了不同的安裝角度對其性能的影響，如圖4(a-d)所示.結(jié)果表明：對于放置角度為30°、60°和180°的情況，振動響應(yīng)從渦激振動過渡到馳振，與不帶分隔板相比，最大輸出電壓分別提高了67.93%、188.61%和77.22%.此外，Noel等[37]研究了在方柱末端添加一個剛性分隔板對方柱周圍流體的影響.研究發(fā)現(xiàn)：添加分隔板后方柱的輸出功率提高了67%.

圖4 帶分隔板的基于渦激振動壓電能量采集器的結(jié)構(gòu):(a)原型的三維示意圖；(b)等效二維系統(tǒng)的示意圖；(c)不同分隔板安裝角度α的渦激振動裝置和常規(guī)渦激振動裝置；(d)風(fēng)洞中的渦激振動裝置

除此這些常規(guī)附件以外，還有一些特殊形狀附件.Wang等[23]將一種“Y形”結(jié)構(gòu)附加在圓柱鈍體上，得到了一種新型的高性能壓電風(fēng)能采集器，如圖5(a-b)所示.該結(jié)構(gòu)附加在鈍體上可使渦激振動向馳振轉(zhuǎn)變，有效提高能量采集性能.基于上述研究的啟發(fā)，Ding等[38]研究了在圓柱鈍體上附加鰭狀條帶對俘能裝置的輸出功率影響.其中，當(dāng)放置角度在30°～60°范圍內(nèi)時，最大功率可達(dá)光滑圓柱體的25.5倍.近年來，一些研究者將周期性超表面引入流致振動俘能裝置的鈍體設(shè)計中.Wang等[39]首次將超表面結(jié)構(gòu)與流致振動能量收集相結(jié)合，設(shè)計了四種周期性超表面(凸半球、凸三棱柱、凸圓柱和凸方柱)，研究其對于渦激振動的影響，如圖6所示.研究發(fā)現(xiàn)：具有凸三棱柱和凸半球表面的鈍體可以通過增大鎖定區(qū)域來增強(qiáng)渦激振動的響應(yīng)，CFD模擬結(jié)果如圖7(a-c)所示.其中，具有凸半球表面的鈍體與光滑表面的鈍體相比，鎖定區(qū)域增加了63.64%.

圖5 GPEH-Y示意圖:(a)等效示意圖； (b)風(fēng)洞實驗中的物理圖

圖6 具有不同周期性超表面的鈍體

圖7 通過CFD模擬得到的渦度等值線以說明旋渦脫落過程：(a)普通圓柱鈍體；(b)具有凸半球型表面的鈍體；(c)具有凸方柱型表面的鈍體

2 渦-馳耦合振動俘能裝置

渦激振動與馳振的相互作用可以顯著降低風(fēng)電場的工作風(fēng)速,以拓寬有效的工作范圍，提高較高風(fēng)速下的電壓輸出.周帥等[40]通過對3個大長細(xì)比鈍體構(gòu)件的工程實例進(jìn)行數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗，證實了在一定條件下構(gòu)件發(fā)生渦-馳耦合振動的可能性.在此基礎(chǔ)上，Yang等[41]對渦-馳耦合振動下的壓電俘能裝置進(jìn)行了建模，并用實驗驗證了所提出的分布參數(shù)機(jī)電耦合模型，以優(yōu)化渦-馳耦合壓電風(fēng)能采集裝置.隨后，Yang等[42]研究了渦-馳耦合作用下空氣動力學(xué)參數(shù)對壓電風(fēng)能采集器性能的影響，在結(jié)果中觀察到了有利于提高輸出電壓的駝峰現(xiàn)象.He等[43]通過風(fēng)洞實驗對渦-馳耦合現(xiàn)象進(jìn)行了研究，實驗證明，通過改變鈍體的幾何形狀，可以分別實現(xiàn)馳振、渦激振動及渦-馳耦合振動.為了實現(xiàn)渦-馳耦合振動，研究者將常規(guī)鈍體組合放置，Qin等[44]提出了由一個十字形懸臂梁和兩個方柱及一個圓柱組成的新型風(fēng)能采集器，并在系統(tǒng)中增加一個尖端磁鐵和兩個固定磁鐵，如圖8所示.結(jié)果表明：該裝置可以結(jié)合渦激振動和馳振的優(yōu)勢，提高風(fēng)能的采集效率，在2.0～7.0 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)提供較大的輸出.

圖8 基于渦激振動和馳振的雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器原理圖

此外，研究者將一些常規(guī)鈍體結(jié)構(gòu)組合成新鈍體.Wang等[45]通過風(fēng)洞試驗，對不同尺寸和安裝方向的紡錘形及蝴蝶形鈍體的俘能裝置性能進(jìn)行研究，如圖9(a-d)所示.與傳統(tǒng)的基于馳振的能量采集器相比，由于耦合振動的存在，具有最小寬度比的垂直紡錘形鈍體可以將壓電能量采集器的臨界風(fēng)速降低13%以上，并將最大電壓輸出提高160%以上.Sun等[46]研究了球形鈍體(由兩個相同截面的半方柱和半圓柱組成)的渦-馳耦合效應(yīng).實驗結(jié)果表明：在低風(fēng)速內(nèi)，球形鈍體的平均輸出功率比方柱增加了75%，最大功率提高了193%.Wang等[47]對不同攻角下的三種圓形和方形截面組合的俘能裝置的性能進(jìn)行理論、實驗和CFD研究，如圖10所示.研究表明：對于某些特定攻角和橫截面組合，壓電風(fēng)能采集器能夠?qū)u激振動和馳振的優(yōu)點結(jié)合起來. Yang等[48]提出了一種新型的風(fēng)能采集器，該采集器在3/4圓柱和1/4方柱的組合鈍體中添加了兩個磁體，以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)渦-馳耦合風(fēng)能采集器.如圖11(a-b)所示，與線性采集器相比，單穩(wěn)態(tài)采集器工作風(fēng)速范圍更寬，輸出電壓更高，性能更好，且磁體距離對于該裝置的性能存在較大影響.

圖9 壓電式風(fēng)能采集器三維結(jié)構(gòu)示意圖：(a)垂直紡錘形(VS)；(b)垂直蝴蝶形(VB)；(c)水平紡錘形(HS)；(d)水平蝴蝶形(HB)

圖10 實驗情況示意圖:不同橫截面的鈍體和不同攻角

圖11 (a)空氣動力學(xué)參數(shù)；(b)結(jié)果比較

3 非線性流致振動俘能裝置

一些研究者將非線性磁力引入俘能裝置來提高采集性能和實際環(huán)境中的適用性，并對具有單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)[49,50]和三穩(wěn)態(tài)[51,52]，硬化和軟化特性[53]的非線性俘能裝置進(jìn)行了的研究.Stanton[54]，Erturk和Inman等[55]研究了帶有非線性磁場結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)俘能裝置的大振幅周期振蕩.通過雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可以有效提升振動俘能器的工作帶寬，提升俘能效率.與雙穩(wěn)態(tài)的俘能裝置相比，三穩(wěn)態(tài)俘能裝置具有三個穩(wěn)定平衡位置和兩個不穩(wěn)定平衡位置.Li等[56]提出了一種三穩(wěn)態(tài)俘能裝置，該裝置可以在低頻基礎(chǔ)激勵下實現(xiàn)阱間振蕩，并通過三穩(wěn)態(tài)相干共振獲得較高的能量采集效率.基于上述研究，研究者對流致振動環(huán)境下的振動俘能裝置進(jìn)行探索.Naseer等[57]提出通過引入非線性磁力來提高渦激振動俘能裝置的性能，并設(shè)計一種單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)渦激振動壓電俘能裝置，通過仿真證實了單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)對工作帶寬和效率的改善.對于雙穩(wěn)態(tài)非線性流致振動俘能裝置，Alhadidi和Daqaq[58]提出了一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的尾流馳振俘能裝置，該裝置與線性設(shè)計相比，雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可以顯著提高系統(tǒng)的工作帶寬.Bibo等[53]提出了一種具有二次勢能函數(shù)的馳振壓電俘能裝置，研究非線性恢復(fù)力對流致振動俘能裝置性能的影響，如圖12所示.結(jié)果表明:與其他裝置相比，系統(tǒng)大幅運動時雙穩(wěn)態(tài)俘能裝置的性能最優(yōu).Zhang等[59]提出在懸臂梁式壓電俘能裝置中添加一對互斥磁體，從而形成雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu).研究發(fā)現(xiàn)：在非線性磁場力作用下，俘能效率提高了29%，鎖頻范圍拓寬了138%.Yang等[60]提出了一種雙梁壓磁風(fēng)能采集裝置，如圖13(a-c)所示.風(fēng)洞實驗結(jié)果表明：與線性雙梁壓電風(fēng)能采集裝置相比，該裝置的臨界風(fēng)速降低了41.9%.同時，Wang等[61]也進(jìn)行了類似的研究，分別在低、中、高風(fēng)速區(qū)間發(fā)現(xiàn)了阱內(nèi)振蕩、混沌振蕩和阱間振蕩.研究發(fā)現(xiàn)：減小梁剛度比、選擇合適的有效質(zhì)量比及增加鈍體寬度，可以提高雙梁壓磁風(fēng)能采集裝置的性能.胡晨陽等[60]提出了一種改進(jìn)的雙穩(wěn)態(tài)渦激振動俘能裝置，通過數(shù)值仿真探究了磁鐵間距對系統(tǒng)性能的影響.研究結(jié)果顯示：磁距較大時，輸出功率變大；磁距較小時，功率減小且起振速度也減小.這種現(xiàn)象與勢壘的高度變化有關(guān).

圖12 非線性馳振流動能量采集器示意圖

圖13 磁鐵間相互作用使梁彎曲簡圖:(a)Δ=18mm ；(b) Δ=12mm； (c) Δ=6mm

對于三穩(wěn)態(tài)俘能裝置，Zhou等[63]建立了帶有非線性磁力的三穩(wěn)態(tài)俘能裝置的機(jī)電耦合模型，并描述了其動態(tài)特性，如圖14(a-b)所示.實驗證明：三穩(wěn)態(tài)振蕩裝置的等效非線性力為高次多項式，且與雙穩(wěn)態(tài)俘能裝置相比，三穩(wěn)態(tài)俘能裝置能夠在更寬的低頻范圍內(nèi)收集能量.同時，Zhou等[64]設(shè)計了一種三穩(wěn)態(tài)壓電俘能裝置.結(jié)果表明：三穩(wěn)態(tài)壓電俘能裝置可在較寬的頻率范圍(15.1-32.5Hz)內(nèi)獲取振動能量.Zhou等[65]提出了一種三穩(wěn)態(tài)渦激振動俘能裝置，并建立了其數(shù)學(xué)模型.與線性裝置相比，該裝置的輸出電壓更高，工作范圍更寬.譚紅波等[66]比較了雙穩(wěn)態(tài)和三穩(wěn)態(tài)馳振能量收集裝置的動力學(xué)特性和發(fā)電性能，利用數(shù)值仿真證明了在較低流速下三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的發(fā)電性能更好. Wang等[67]對三穩(wěn)態(tài)馳振俘能裝置進(jìn)行參數(shù)研究，探討了三穩(wěn)態(tài)振動系統(tǒng)的勢能與動能的轉(zhuǎn)換機(jī)理，如圖15(a-b)所示.結(jié)果表明：與線性馳振壓電俘能裝置相比，該裝置的臨界風(fēng)速降低了33%.

圖14 非線性能量收集示意圖：(a)雙穩(wěn)態(tài)；(b)三穩(wěn)態(tài)

圖15 基于三穩(wěn)態(tài)馳振的壓電能量采集器示意圖：(a)正視圖；(b)側(cè)視圖

表1總結(jié)了前三節(jié)提到的部分流致振動能量收集裝置性能改善的表現(xiàn)．

表1 流致振動俘能裝置的研究總結(jié)

4 基于等效電路法的俘能裝置設(shè)計

為研究復(fù)雜電路接口對俘能裝置的影響，研究者基于等效電路(equivalent circuit method, ECM)的方法建立了其電路模型，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下和外界電路下的壓電振動俘能裝置的性能以及影響因素進(jìn)行研究.Yang和Tang[68]使用等效電路法對基礎(chǔ)激勵下的壓電振動能量采集系統(tǒng)進(jìn)行了建模和實驗，有效解決直流電路元件無法直接數(shù)學(xué)建模的問題.Tang等[69]提出了復(fù)雜電路的馳振俘能系統(tǒng)的等效電路模型,如圖16所示.結(jié)果表明：交流接口的最大臨界風(fēng)速大于直流接口.Zhao等[70]比較了四種馳振風(fēng)能采集接口電路的性能，提出了不同情況下的電路選擇方法.Zhao等[71]還對馳振俘能裝置的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，采用電感同步開關(guān)電路以增強(qiáng)采集性能.在風(fēng)力條件和輸出功率要求相同的情況下，與連接標(biāo)準(zhǔn)電路的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)風(fēng)能利用率得到提升.王定標(biāo)等[72]建立了基于馳振的變?nèi)墙孛鎵弘姺苎b置的等效電路，研究了外接電路、鈍體角和來流速度等對變?nèi)墙孛骜Y振壓電俘能裝置采集性能的影響.靳遵龍等[73]對PTC圓柱馳振俘能等效電路進(jìn)行了研究，分析了臨界風(fēng)速隨負(fù)載的變化規(guī)律和不同風(fēng)速、負(fù)載對性能的影響.Wang等[74]提出了一種渦激振動等效電路模型，比較了具有交流和直流接口的渦激振動俘能裝置的性能.對于引入非線性磁力的俘能裝置，Lan等[75]研究了直流電路和交流電路接口對非線性壓電俘能裝置的影響,如圖17所示.結(jié)果顯示：與線性裝置相比，兩種接口電路對單穩(wěn)態(tài)壓電俘能裝置的功率峰值偏移和工作帶寬均會產(chǎn)生影響．

圖16 馳振壓電能量采集系統(tǒng)的等效電路圖

圖17 連接到交流或直流接口電路的單穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器原理圖

5 問題與挑戰(zhàn)

近二十年，國內(nèi)外研究者圍繞流致振動俘能進(jìn)行了大量的機(jī)理和實驗研究，并取得了重要進(jìn)展，然而通過對前人研究成果進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，雖然目前流致振動俘能技術(shù)的應(yīng)用前景良好，但由于外界環(huán)境的多變性和內(nèi)部機(jī)理的復(fù)雜性，在實際應(yīng)用中，仍存在以下困難和挑戰(zhàn)亟待解決.

(1)復(fù)雜流場下流致振動俘能理論尚未成熟，復(fù)雜鈍體表面周圍的流動機(jī)理仍需進(jìn)一步深入研究.

(2)如何進(jìn)一步提高現(xiàn)有流致振動俘能裝置的性能，如拓寬工作帶寬、提高輸出功率等仍是重大挑戰(zhàn).

(3)流致振動俘能技術(shù)仍處于理論研究階段.與理想的風(fēng)洞條件相比，流致振動俘能裝置的實際應(yīng)用不僅要考慮能量采集的效率，還要考慮設(shè)備的成本，以及設(shè)備的維護(hù)、壽命等因素.

6 結(jié)論與展望

流致振動俘能技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，對于微機(jī)電功能系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，檢聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things，IOT)等微小型低功率設(shè)備，可滿足其供電需求.本文綜述了現(xiàn)有流致振動俘能技術(shù)以及各種提高俘能性能的措施，具體包括對在鈍體上外加可拆卸附件、改變鈍體形狀、引入非線性磁力和等效電路模型方法等.隨著新材料和相關(guān)測試技術(shù)的發(fā)展，今后還有一些提高流致振動俘能裝置性能、降低經(jīng)濟(jì)成本的方法等待研究人員的探索.

傳統(tǒng)研究方法如風(fēng)洞實驗和CFD數(shù)值計算耗時較長、成本較高.機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning)技術(shù)可作為一種有效且經(jīng)濟(jì)的替代方法對流致振動能量采集中的流動現(xiàn)象進(jìn)行研究.例如，Zhang等[76]通過風(fēng)洞實驗獲得了大量原始數(shù)據(jù)集，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練兩個回歸模型，分別預(yù)測了尾流馳振壓電能量采集器的均方根電壓和最大位移.機(jī)器學(xué)習(xí)目前在流致振動俘能技術(shù)中的應(yīng)用尚未成熟，在今后可以以實驗和數(shù)值計算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)識別和預(yù)測能量采集器輸出響應(yīng)并進(jìn)一步提高系統(tǒng)能量采集效率.

此外，研究者已經(jīng)將周期性超表面應(yīng)用到流致振動能量采集器中，但現(xiàn)階段的研究尚未成熟.下一步可以對基于周期性超表面流致振動的能量采集器進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化，提高俘能效率.

最后，在現(xiàn)階段，風(fēng)能采集技術(shù)仍然局限于實驗室研究階段，風(fēng)能采集器在解決實際工程問題方面還不成熟.其主要問題在于由能量采集技術(shù)支持的電源不如化學(xué)電池的電源穩(wěn)定，流致振動俘能系統(tǒng)的魯棒性需要進(jìn)一步提升.