[发明专利]卡门涡街发电机

说明书

技术领域

本发明涉及发电设备领域。具体是一种交流电流发生装置。这种装置将流体流动过程中 产生的动能转化成电能。

背景技术

在一种特定条件下(可以用流体的雷诺数Reynolds number表示)，当流体(如空气、 水，等)绕过非流线形物体时，由于物体表面的粘性边界层中存在逆压梯度，表面边界层开 始分离，经过一定时间的发展，物体后方的尾迹中，根据不同的雷诺数，形成不同流动模式。 流体的雷诺数是一个无量纲数，描述了流体的惯性力和粘性力之比。流体的雷诺数Re可以用 下式来表示，

Re=ρV∞Lμ---(1)]]>

其中，ρ,V_∞，μ分别代表流体的密度，速度和动力粘性系数；L代表物体的特征长度尺度。大 量的理论和实验证明，雷诺数从50到500范围内，尾迹区域内会形成稳定的、成对的、交 替排列的、旋转方向相反的、固定间距的，以层流为核心的漩涡。雷诺数大于200，尾迹的 流动呈三维化，旋涡的核心变成湍流，但旋涡脱落机制仍保持层流。这样的流动模式被称为 卡门涡街。图1是卡门涡街形成示意图。卡门涡街中的旋涡的结构可以用环量守恒的原理来 解释。即当一个涡从非流线型物体(或称旋涡发生体)的边界层脱落时，必然有与之环量相 反的涡的存在。在现实中，当流体流过建筑物、电线、桥墩时都会产生卡门涡街。卡门涡街 中的旋涡的结构是稳定的，而且旋涡产生频率和流体流速的关系是确定的。在振荡的流场中 常用到无量纲参数Strouhal数来描述流场的特征，Strouhal数St定义为

St=fLV∞---(2)]]>

其中，f为旋涡的脱落频率，其他变量如前所述。Strouhal数一般为固定值0.2。因而流速 可以通过测量漩涡脱落频率来获得。广泛使用的卡门涡街流量计就是根据这个原理制成的。

在旋涡发生体后方的卡门涡街中，旋涡会沿来流方向向后运动。同时由于单个旋涡的环 量的存在，这个涡会受到一个与来流垂直方向上的作用力，即升力。因而在卡门涡街中，流 体会在与来流方向垂直的方向上受到周期性交替变化的作用力。根据作用力和反作用力原理， 流体也会对这个非流线型物体产生一个周期性交变的、与来流方向垂直的作用力。因而物体 会在来流方向垂直的方向上产生振荡。工程中应该避免这类现象的发生，因为这种振荡会引 起物体的疲劳和损坏。

如果在磁场中安置一个金属线圈，如果通过线圈与磁场的相对运动，让金属线圈在磁力 线方向的投影面积产生变化，即可使穿过线圈的磁通量产生变化。根据电磁感应定律，磁通 量的变化会使线圈中产生电流，这是发电机的基本原理。如果把上述卡门涡街这种作用于旋 涡发生体上的周期性的、交替方向的力传递给一个放置在固定的磁场中的金属线圈，可以 使金属线圈产生振荡。如果这种周期性的振荡改变了穿过金属线圈的磁通量，则在线圈中产 生了交流电。图2是利用卡门涡街产生电流的原理图。