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三圆柱体压电能量收集器通过优化间距实现宽频带能量捕获，实验表明均匀间距1.3时输出功率较单圆柱提升15倍，电压4.1倍，非均匀间距设计可使功率提升25%并达到40V峰值电压。研究揭示了多圆柱体阵列中VIV-WIG耦合机制与间距比的关键作用，为微机电系统（MEMS）提供高效宽频设计框架。
程玉轩|刘飞凡|郭志文|陈德奇|郭凯
中国教育部低级能源利用技术与系统重点实验室，重庆大学，重庆，中国
摘要
圆柱体的流动诱导振动（FIV）为环境风能采集提供了一种有前景的途径，但其实际应用受到狭窄的锁定区域和有限的操作带宽的限制。本研究提出了一种三圆柱体压电能量采集器（TC-PEH），该采集器利用涡流诱导振动（VIV）和尾流诱导跳跃（WIG）的耦合动力学来克服这些限制。在0.5至10 m/s的风速范围内进行了风洞实验，系统地研究了均匀和非均匀间距比配置的影响。研究结果表明，间距比L/D在控制FIV状态中起着决定性作用：当L/D = 1.3时，系统表现出强烈的上游主导的WIG行为；而较大的间距则导致VIV和WIG行为解耦。根据所提出的机制，最佳均匀排列（L/D = 1.3）相对于单圆柱体基线，平均输出功率提高了15倍，输出电压提高了4.1倍，并且在大部分操作范围内电压保持稳定。此外，经过战略性设计的非均匀间距（L1/D = 1.5，L2/D = 1.3）使最大输出功率提高了25%，并产生了高达40 V的峰值输出电压。这些结果证实，间距优化能够实现多圆柱体阵列中VIV-WIG的强耦合。这项工作为基于FIV的能量采集器设计了高效、宽带宽的设计框架，适用于微机电系统（MEMS）应用。
引言
物联网技术的快速发展推动了微机电系统（MEMS）和无线传感技术在基础设施监测、环境监测和工业智能等领域的广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，MEMS设备的持续供电已成为限制其更广泛采用的关键挑战[4]、[5]。风能在自然和人造环境中都十分丰富，因此是一种有吸引力的可再生能源，特别是在空间和时间变化的风条件下。尽管旋转式风能采集器通过日益复杂的自适应机制可以实现相对较高的转换效率[6]、[7]，但它们对旋转部件（叶片、轴承和传动元件）的依赖可能会对设备的小型化、封装和长期运行可靠性造成实际限制，尤其是对于紧凑型MEMS系统而言。相比之下，流动诱导振动（FIV）能量采集利用涡流诱导振动、跳跃和其他气动弹性不稳定性通过压电转换将风能转化为电能，无需连续旋转。这种非旋转范式提供了一种紧凑且机械简化的架构，适用于低风速，并减少了与磨损相关的退化，从而降低了维护要求。此外，FIV采集器易于模块化和阵列化实现，便于空间分布式供电的扩展部署。这些系统特别适合离网场景，如桥梁健康监测和智能农业传感器网络。
研究人员提出了许多基于FIV机制的创新设备，将振动机械能转化为电能，包括涡流诱导振动（VIV）[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、跳跃[13]、[14]、[15]、颤振[16]、[17]、[18]及其组合[19]、[20]、[21]。在这些机制中，VIV由于在较低流速下的有利振动特性而受到了广泛的研究关注，使其特别适合捕获低速风能。Bernitsas等人[22]开创了涡流诱导振动水力清洁能源（VIVACE）系统，标志着基于FIV的能量转换研究的突破和里程碑。虽然VIV可以产生相当大的能量输出，但其实际应用受到狭窄的操作带宽的限制，因为振动仅发生在称为锁定或同步区域的有限流速范围内[23]。超出这个锁定区域后，涡脱落频率会偏离结构固有频率，导致振动停止和性能急剧下降[24]。因此，基于VIV的能量采集器仅在它们的锁定范围内有效，在实际环境中遇到的更宽的风速范围内无效。
然而，对于预期在宽流速范围内有效运行的气动弹性能量采集器来说，这种固有的限制是不希望出现的。为了在宽流速范围内保持基于VIV的能量采集设备的稳定性能，国内外学者进行了大量研究，提出了一系列性能提升措施，如增加自由度（DOF）[25]、[26]、[27]、引入非线性刚度特性[28]、[29]、[30]、[31]、表面修改[32]、[33]、[34]以及布置辅助湍流结构[35]、[36]、[37]。Shi等人[38]开发了一种全向压电风能采集器，使用正交双梁系统，通过所有风向上的两自由度振动系统实现了垂直于来流的显著横向响应，克服了传统单梁采集器的方向限制。Zhang等人[39]研究了通过排斥磁配置增强VIV采集器的非线性软化行为，发现通过可调磁间距调节固有频率和刚度可以直接影响锁定区域特性。Sun等人[40]实验表明，包含非线性分段弹簧的VIV能量采集器在有效流速范围内显著优于线性采集器。此外，多稳态刚度配置已被证明能有效扩展VIV采集器的操作速度范围[41]、[42]。Wang等人[32]、[33]研究了具有各种凸起和凹陷配置的圆柱表面的风能采集效率，发现适当设计的表面凸起或凹陷可以显著扩展锁定区域。Liao等人[43]数值研究了带下游方形板的圆柱体的VIV能量采集，发现板引起的尾流干扰可以通过扩大锁定区域和触发VIV–跳跃转变显著提高能量采集性能。具体来说，最大振动幅度比孤立圆柱体增加了183.82%。
虽然上述针对单圆柱体系统的增强策略可以有效扩展工作风速范围并提高输出功率，但由于圆柱体的基本空气动力学特性不变，带宽的扩大仍然存在固有限制。相比之下，多圆柱体能量采集系统已成为提高宽流速范围内能量采集效率的有效策略，其可行性已在许多研究中得到验证[44]。圆柱体之间的相互作用引入了复杂的流体-结构耦合现象，通过尾流干扰效应显著增强了捕获的功率。这种复杂性源于边界层、剪切层、涡流结构和圆柱体之间的复杂相互作用[24]、[45]。目前，大多数关于多圆柱体能量采集系统的研究主要集中在双圆柱体配置上。已经进行了广泛的参数研究来优化双圆柱体系统的性能，包括间距比[46]、[47]、[48]、直径比[19]、[49]、[50]、高度比[51]、[52]以及圆柱体排列配置[53]、[54]的研究。值得注意的是，Jung等人[48]开发了一种基于WIG的新能量采集系统，设计了一个WIG能量采集器原型，并通过实验验证了系统的能量采集效率和适用性。Zhou等人[55]和Shan等人[56]研究了具有不同参数的双圆柱体压电能量采集系统，证明它们的效率显著高于单圆柱体设备，间距比是控制尾流干扰模式和能量转换性能的关键参数。这些研究共同表明，间距比在控制双圆柱体系统中的尾流干扰模式和能量转换效率方面起着特别关键的作用。最佳间距比可以策略性地调节流体-结构相互作用状态，在近距离时诱导强烈的WIG，在较大间距时诱导明显的VIV，从而显著提高功率输出和操作带宽。
虽然双圆柱体能量采集系统在性能上优于单圆柱体配置，但多圆柱体排列在功率体积比方面提供了更大的优势，因此有必要探索超出双圆柱体配置的能量转换性能。然而，关于三圆柱体能量采集系统的研究仍然非常有限。现有研究主要集中在表征振动响应和流体-结构相互作用机制上，很少有研究关注能量采集性能，且这些研究主要考察了均匀间距配置。Liu等人[57]数值研究了串联三圆柱体的VIV，表明这种排列扩大了振动锁定范围。在中游和下游圆柱体中，较高的减速速度下振幅更大。Fan等人[58]在大气边界层风洞中实验验证了柔性三圆柱体的振动行为，表明串联排列使上游圆柱体在较小间距下能够进行类似跳跃的运动，而下游圆柱体在较宽的间距范围内保持稳定的振荡。Chen等人[59]研究了层流横流中三个串联圆柱体的FIV，表明多体相互作用引入了复杂的流体-结构耦合现象，其中在特定间距配置下可以通过级联尾流效应触发跳跃机制。
圆柱体数量的增加通过尾流相互作用和多体空气动力学耦合显著放大了流场复杂性。此外，间距比，特别是非均匀间距分布，在控制这些耦合的VIV-WIG动力学中的作用尚未得到探索。为了解决这些知识空白，本研究提出并实验研究了一种具有均匀和非均匀间距配置的三圆柱体压电能量采集器（TC-PEH）系统。系统地检查了能量采集系统的输出特性以及控制性能变化的基本FIV机制。所提出的TC-PEH系统能够在近地面环境中高效提取宽速度范围内的风能资源，在成本效益和空间经济性方面具有优势。这种设计解决方案显著扩展了压电能量采集器的有效风速范围，在锁定范围内保持稳定的性能，并在较高风速下显著提高了性能。本研究的结果为后续多圆柱体能量采集系统的设计和优化提供了宝贵的指导。
部分摘录
设计概念和弹性结构模型
在这项研究中，设计了一种具有独立可调圆柱间距的三圆柱体压电能量采集器（TC-PEH），以系统地研究均匀和非均匀间距配置对能量采集性能的影响。独立改变间距比从根本上改变了连续的尾流演变、涡流耦合动力学和力传递机制，从而影响振动能量的提取。TC-PEH的概念示意图
结果与讨论
实验结果分为三个部分，以系统地评估TC-PEH系统的性能。第3.1节分析了均匀间距比下的振动幅度特性，揭示了VIV和WIG状态之间的转换机制。第3.2节检查了电气输出性能，包括电压稳定性、功率生成和操作带宽。第3.3节研究了非均匀间距配置，以确定最佳设计策略
结论
本研究通过风洞实验系统地研究了三圆柱体压电能量采集器的能量采集性能，重点关注在均匀和非均匀间距配置下涡流诱导振动和尾流诱导跳跃的协同耦合。实验方法包括对0.5至10 m/s范围内的风速下的振动响应、输出功率、操作带宽和电压稳定性的严格分析
作者贡献声明
郭志文：研究。刘飞凡：形式分析、数据管理。郭凯：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。陈德奇：监督。程玉轩：撰写 – 原始草稿
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号22308297）的支持。
