一种基于涡激振动的流体动力捕捉方法

1.本发明属于流体动力捕捉领域，具体涉及一种基于涡激振动的流体动力捕捉方法。


背景技术：

2.目前我国水力发电形式以大规模水轮机组为主，其本身存在较多的限制条件和缺陷，例如机组正常运行对水流流速和负荷有严格的要求、叶轮叶片受泥沙磨损严重、维修困难、对生态环境影响巨大等等。尽管目前水轮机的应用已经较为成熟，但多数缺陷仍难以突破，严重阻碍了流体动力资源的进一步开发。改变传统的轮机发电形式，拓展流体能量的获取方式，无疑将带来巨大的收益。
3.卡门涡街现象在流体中随处可见，一定条件下(60《re《5103)的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，并伴随有声响效应、共振效应等现象。卡门涡街的涡旋脱落时会对绕流物体产生一个冲击力，使其振动，并在一定条件下达到最大振幅。将此涡激振动产生的机械能转化为可利用的电能，可以有效避免传统水轮机的多种弊端，实现对流体动力的新型利用。
4.有限元分析，就是将一个物体或系统分解为多个相互连接的、简单的、独立的点组成的几何模型，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而广泛应用于工程分析领域中。将有限元分析方法应用于涡激振动水力发电研究中，可以简化理论计算、高效处理数据，得到可靠的计算结果。通过基于有限元分析方法的流场数值模拟，可以得出发电装置内涡度量级、流速分布等，从而对装置参数进行优化，并对发电效果进行有效验证。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的缺陷，并提供了一种基于涡激振动的流体动力捕捉方式。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.本发明提供了一种基于涡激振动的流体动力捕捉方法，具体如下：
8.s1：根据发电装置的设计文件，通过三维建模软件构建发电装置中支撑结构的三维结构模型，再根据所述三维结构模型建立支撑结构实体模型；根据所述支撑结构实体模型的内部流道，抽取出支撑结构的内部流道模型；通过网格划分软件，将所述内部流道模型离散为第一内部流道网格模型；根据所述设计文件，通过计算流体力学软件，设置所述第一内部流道网格模型的进出口边界条件，同时，根据设计文件对该模型占据的全部空间赋予流体属性，得到第二内部流道网格模型；
9.s2：通过计算流体力学软件，在瞬态下选择相应的湍流模型；在工作环境所给定的含沙量(指的是进入发电装置中水体中的含沙量)和流速(指的是进入发电装置中水体的流速)的条件下，设置湍流模型的参数并进行计算，直至观察到涡旋脱落的图像后停止计算；
选择解决方案中的解决方案动画，选择速度中的涡度量级，以所述第二内部流道网格模型的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的涡度量级云图；根据所述涡度量级云图，判断涡激振动下绕流物体的振动频率、振动幅度和粘性力大小(包括x方向和y方向的粘性力大小)；
10.s3：判断所述涡度量级云图中监测点的雷诺数re是否在(2～4)
×
104《re《(1～2)
×
105的指定范围内；在实际使用时，还可以同时判断涡度量级云图中涡街的剧烈程度：
11.若涡度量级云图上涡街变化不明显或涡度量级云图中监测点的雷诺数re≤(2～4)
×
104，则减小步骤s1所得第二内部流道网格模型中绕流物体之间的距离，随后在该第二内部流道网格模型的基础下，重复步骤s1～s3，判断雷诺数是否处于指定范围内；
12.若涡度量级云图上涡街变化不明显或涡度量级云图中监测点的雷诺数re≥(1～2)
×
105，则减小步骤s1所得第二内部流道网格模型的进口流速，随后在该第二内部流道网格模型的基础下，重复步骤s1～s3，判断雷诺数是否处于指定范围内；
13.若涡度量级云图中涡街变化明显且涡度量级云图中监测点的雷诺数re处于指定范围内，则直接进行步骤s4；
14.s4：根据步骤s3优化后所得第二内部流道网格模型的进口流速，设计控制系统并执行负反馈控制，以控制优化后所得第二内部流道网格模型的平均流速，使其与进口流速之间的误差在1m/s以内(不取端点值)；
15.s5：利用设计文件中电力模块的能量回收单元和二级滤波单元，以整合不同绕流物体振动时所发出的电流，将不规则的交流电转化为直流电；
16.s6：根据步骤s3优化所得第二内部流道网格模型，获得支撑结构的三维结构优化模型；在该三维结构优化模型中放置绕流物体，使绕流物体的长度方向与水流方向垂直，在与绕流物体长度方向和水流方向都垂直的方向上为绕流物体留有振动余量，振动余量大于等于绕流物体横截面的两倍当量直径；根据设计文件，在三维结构优化模型的进口面覆盖固定第一孔板，在所述第一孔板的外侧面可移动式连接有结构相同的第二孔板，通过第二孔板的移动能改变进口面的开度；
17.s7：基于步骤s6所得结构，在垂直水流方向上采用传动连接件连接相邻的绕流物体，在平行于水流方向上采用刚性连接件连接相邻的绕流物体；所述刚性连接件上固定有垂直水流方向设置的磁铁棒；
18.用控制系统中的步进电机连接第二孔板，并将控制系统安装在支撑结构上；基于步骤s4所得控制系统并执行负反馈控制，通过调节第二孔板来改变节流面积以使支撑结构内部的平均流速与进口流速之间的误差在1m/s以内。流速保持在优化的范围内，可以使绕流物体维持较高的振幅，从而提高发电量，以提高捕捉到的流体动力的量。
19.将支撑结构的磁线圈连接至所述电力模块上，通过涡激振动使传动连接件带动绕流物体振动，同时带动刚性连接件切割磁线圈，以将交流电转化为直流电，所得直流电储存至蓄电池中，完成流体动力捕捉。
20.作为优选，所述设计文件包括发电装置支撑结构的图纸、控制模块方案和电力模块设计方案；其中，控制模块方案包括硬件接线图和驱动程序，电力模块设计方案包括能量回收单元和二级滤波单元电路搭建图。
21.作为优选，所述步骤s4中设计控制系统并执行负反馈控制的步骤具体如下：
22.s41：利用设计文件中的主控芯片、稳压电源模块、电机驱动模块、流速传感器和步
进电机搭建控制系统；
23.s42：在主控芯片中写入驱动程序，使主控芯片能驱动步进电机、读取流速传感器信号、通过串口与上位机通信；所述驱动程序包括能对从流速传感器读到的流速数据进行均值滤波的第一子驱动程序、通过增量式pid控制以生成控制量u(k)的第二子驱动程序、能由控制量u(k)生成频率与其成正比的特定pwm波的第三子驱动程序。
24.进一步的，所述第一子驱动程序具体如下：
25.第一子驱动程序每进行(n 1)次a/d转换后，对这(n 1)次a/d转换得到的数据取加权平均值，将该平均值作为当前时刻的实际流速测量值，即：
[0026][0027]
其中，h(t)为t时刻的实际流速测量值，f为a/d转换频率，和g(t-it)均为前述第i次转换值，ai为加权平均系数，满足且取a0＞a1＞...＞a
n-1
＞an。
[0028]
进一步的，所述第二子驱动程序具体如下：
[0029]
主程序位于一个无限循环中，程序将记住之前三次循环得到的实际流速测量值与最佳流速值的差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)以及之前一次循环得到的控制量u(k-1)，利用式δu(k)＝k
p
[e(k)-e(k-1)] kie(k) kd[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]计算控制量增量δu(k)，再利用式u(k)＝u(k-1) δu(k)更新控制量u(k)；其中，k
p
、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数，u(k-1)为前一次循环中流速传感器所测的实际流速，δu(k)为前一次循环与本次循环的流速传感器测得的两次实际流速的差值，u(k)为本次循环中支撑结构内部流道中的平均流速。
[0030]
进一步的，所述第三子驱动程序具体如下：
[0031]
由控制量u(k)生成频率与其成正比的特定pwm波，将该pwm波输出给电机驱动模块，以调节步进电机的启停、方向和转速；通过步进电机调节第二孔板的位置以改变开度，进而调节支撑结构中的平均流速。
[0032]
进一步的，所述主控芯片采用arduino、stm32、stc8051中的一种。
[0033]
作为优选，所述传动连接件为弹簧。
[0034]
作为优选，所述步骤s1中，当发电装置的结构相对其纵剖面几何对称时，所述三维结构模型为完整的模型或相对于纵剖面的1/2模型；当发电装置的结构相对其纵剖面几何不对称时，所述三维结构模型为完整的模型；进出口边界条件包括压力进口边界条件、压力出口边界条件、速度进口边界条件和速度出口边界条件中的一种或多种；在赋予流体属性之前，若三维结构模型为完整的装置模型时，将所述第一内部流道网格模型中内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件；若三维结构模型为相对于纵剖面的1/2模型时，将所述第一内部流道网格模型中内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将纵剖面所在处设置对称边界条件。
[0035]
作为优选，所述三维建模软件采用inventor、solidworks、creo、ug/nx、catia、ansys workbench designmodeler或ansys workbench spaceclaim中的一种；所述网格划分软件采用icem cfd、hypermesh、tgrid、pointwise、ansa、gridpro或ansys workbench mesh中的一种；所述计算流体力学软件采用ansys cfx、ansys fluent、star-cd、star-ccm、
numeca或openfoam中的一种；所述湍流模型采用standard k-ε模型、spalart-allmaras模型、rng k-ε模型、realizable k-ε模型、standard k-ω模型、bsl k-ω模型或sst k-ω模型中的一种。
[0036]
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0037]
(1)本发明再无需反复理论计算与实验校正的前提下实现了对流体动力捕捉过程的仿真模拟，大大简化了基于涡激振动发电装置的设计过程。
[0038]
(2)本发明改善传统流体动力捕捉方式的痛点。依托于小规模无叶片涡激振动发电模式，建设成本低、门槛低，装置易安装、易维护、生命周期长，有效避免了传统水轮机的多种弊端。本装置简单易用，不仅没有噪声污染也不会对周围生物环境造成影响；本装置对流体流向无要求，可对所有方向流体的机械能进行捕获，提高了使用时长。
[0039]
(3)本发明产品拓展性强。传统水轮机组建后难以进行后续改造和扩展，而本装置不仅可以以小规模分布式模式应用，也可以进行大规模串联发电，并可以通过调节振动柱参数(如阻尼、径宽比、间距等)应用于不同流体中，拓展潜力十分可观。
[0040]
(4)本发明适用范围大幅提升。装置能量密度高，获能流速范围大，可在低至0.25m/s的流速下发电，除工业用途外还可适用于多种场景。例如分布式置于海岸从而为沿线路灯全时段供电、为河流水体监测装置供电、为湖泊周边景区基础设施全天候供电等等。
附图说明
[0041]
图1为实施例1中装置的三维结构模型(a)、a-a剖面图(b)和b-b剖面图(c)；
[0042]
图2为实施例1中根据原三维结构模型简化后建立的二维流道网格模型；
[0043]
图3为实施例1中原流道的涡度量级云图；
[0044]
图4为实施例1中更改后的二维流道网格模型；
[0045]
图5为实施例1中更改后的流道涡度量级云图；
[0046]
图6为实施例1中的能量回收电路原理图(a)和仿真效果图(b)；
[0047]
图7为实施例1中的二阶rc低通滤波器原理图；
[0048]
图8为实施例中控制系统的组成框图；
[0049]
图9为实施例中反馈控制的流程框图；
[0050]
图10为实施例中反馈控制的程序框图；
[0051]
图11为刚性连接件的左视图(a)、主视图(b)和俯视图(c)。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0053]
本发明通过模拟流场、分析涡激振动的具体情况，设计了一种基于涡激振动的流体动力捕捉方法，具体如下：
[0054]
s1：根据步骤1)～7)依次进行，具体如下：
[0055]
1)根据发电装置支撑结构的设计文件，通过三维建模软件构建装置的三维结构模型。在构建三维结构模型的过程中，当支撑结构的结构相对其纵剖面几何对称时，三维结构模型为完整的模型或相对于纵剖面的1/2模型；当支撑结构的结构相对其纵剖面几何不对
称时，三维结构模型为完整的模型。其中，支撑结构的纵剖面为过流道进口面中心点和出口面中心点的连线且与进口面的上下两条边线都垂直的面。
[0056]
2)根据三维结构模型建立支撑结构实体模型，建立的支撑结构实体模型应当是完整的模型而不是以纵剖面为边界的1/2模型。
[0057]
3)根据支撑结构实体模型的内部流道，抽取出支撑结构的内部流道模型。若在构建三维结构模型时采用的是完整的装置模型，则此时构建的内部流道模型为装置内壁面、流体进口面与出口面包围成的三维几何空间结构。若在构建三维结构模型时采用的是以纵剖面为边界的1/2，则此时构建的内部流道模型装置内壁面、流体进口面、流体出口面与装置纵剖面包围成的三维几何空间结构，或者也可构建装置纵剖面上的二维流道几何结构。其中，装置内壁面指的是装置内部与流体的接触面；流体进口面指的是装置内部流体流动空间与上游水流流动空间的分隔面；流体出口面指的是装置内部流体流动空间与下游水流流动空间的分隔面。
[0058]
4)将获得的内部流道模型导入网格划分软件中，并将其离散为第一内部流道网格模型。
[0059]
5)将获得的第一内部流道网格模型导入计算流体力学软件中，根据原始的设计文件，设置第一内部流道网格模型的进出口边界条件。
[0060]
在该过程中，若文件中规定装置进口面的速度值，则对流体进口面设置速度入口边界条件，速度值为设计文件中所述的入口速度。
[0061]
6)若在构建三维结构模型时采用的是完整的装置模型，则将第一内部流道网格模型中的内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件。若在构建三维结构模型时采用的是以纵剖面为边界的1/2模型，则将第一内部流道网格模型中的内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将纵剖面所在处设置对称边界条件。
[0062]
7)对通过步骤5)和6)处理后的第一内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，其中，流体密度与流体粘性数值等物性参数均根据装置的原始设计文件确定，得到第二内部流道网格模型。
[0063]
s2：通过计算流体力学软件，在瞬态下选择相应的湍流模型并设置参数后进行计算，直至观察到涡旋脱落的图像后停止计算；选择解决方案中的解决方案动画，选择速度中的涡度量级，以所得第二内部流道网格模型的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的涡度量级云图，并在模型中心设置监测点，监测流场中的雷诺数；选择一定的时步与时步数，进行计算；计算结束后根据所述涡度量级云图，判断涡激振动的振动频率、振动幅度和粘性力大小等指标。其中，涡街的特征为在涡度量级上的特征为旋转方向相反、排列规则的线涡，其与正常流动区域有明显区别，能够很容易被识别出。
[0064]
s3：判断涡度量级云图中的剧烈程度和监测点雷诺数是否在(2～4)
×
104＜re＜(1～2)
×
105的指定范围内；
[0065]
s4：若涡度量级云图上涡街变化不明显或涡度量级云图中监测点的雷诺数re≤(2～4)
×
104，则减小步骤s1所得第二内部流道网格模型中绕流物体之间的距离，随后在该第二内部流道网格模型的基础下，重复步骤s1～s3，判断雷诺数是否处于指定范围内；
[0066]
若涡度量级云图上涡街变化不明显或涡度量级云图中监测点的雷诺数re≥(1～2)
×
105，则减小步骤s1所得第二内部流道网格模型的进口流速，随后在该第二内部流道网
格模型的基础下，重复步骤s1～s3，判断雷诺数是否处于指定范围内；
[0067]
s5：若涡度量级云图涡街变化明显且雷诺数在指定范围内，无需优化，直接进行下一步操作；
[0068]
s6：根据上文计算的最佳流速(即优化后所得第二内部流道网格模型的进口流速)，设计控制模块，执行负反馈控制，以期将所得第二内部流道网格模型的内部流速(即平均流速)大致稳定在最佳流速附近。一般而言，应当控制平均流速使其与进口流速之间的误差在1m/s以内。
[0069]
在使用时，只需给硬件系统上电，启动arduino，使用上位机给arduino发送最佳流速，程序自动开始执行，此时可以通过上位机对实际流速进行监视；
[0070]
s7：利用设计文件中电力模块的能量回收单元和二级滤波单元，整合不同杆(即绕流物体)振动时所发出的电流，将不规则的交流电能转化为直流。在使用过程中能量回收电路单元和二级滤波单元耦合使用，将涡激振动输出的交流电能接入能量回收电路，可以得到直流电能，但此时电压纹波较大，再将输出直流电压接入二级滤波电路，经过滤波后就可以得到纹波较小的直流电能，符合预期要求；
[0071]
s8：选用arduino mega2560r3主控芯片、lm2596稳压电源模块、l298n电机驱动模块、yf-b5流速传感器、42步进电机等硬件设备，使用杜邦线进行连线，以构成整个控制系统。
[0072]
具体连线规则为：lm2596稳压电源模块的ac电源输入端连接220v交流市电，dc电源输出端的5v端分别连接至arduino mega2560r3的供电端、l298n电机驱动模块的供电端、yf-b5流速传感器的供电端，dc电源输出端的gnd端分别连接至arduino mega2560r3的gnd端、l298n电机驱动模块的gnd端、yf-b5流速传感器的gnd端。arduino mega2560r3的tx0端连接至上位机的rx端，rx0端连接至上位机的tx端，pwm1口连接至l298n电机驱动模块的控制信号端in1，pwm2口连接至l298n电机驱动模块的控制信号端in2，pwm3口连接至l298n电机驱动模块的控制信号端in3，pwm4口连接至l298n电机驱动模块的控制信号端in4，a0口连接至yf-b5流速传感器的模拟信号输出端。l298n电机驱动模块的out1端连接至42步进电机的a 端，out2端连接至42步进电机的a-端，out3端连接至42步进电机的b 端，out4端连接至42步进电机的b-端。
[0073]
s9：在arduino中写入驱动程序，使得arduino可以正常驱动步进电机、读取流速传感器信号、通过串口与上位机通信，具体如步骤s10～s12。
[0074]
s10：引入均值滤波器。对从流速传感器读到的流速数据进行均值滤波。如arduino的a/d转换频率为5000hz，则程序每进行50次a/d转换后，会对这50次a/d转换得到的数据取加权平均值，将该平均值作为当前时刻的实际流速测量值。即：
[0075][0076]
其中，h(t)为t时刻(当前时刻)的实际流速测量值，n为滤波窗口大小减1，此处为49，f为a/d转换频率，此处为5000hz，为之前第i次转换值，ai为加权平均系数，此处取a0＝a1＝...＝a9＝0.035，a
10
＝a
11
＝...＝a
19
＝0.03，a
20
＝a
21
＝...＝a
29
＝0.02，a
30
＝a
31
＝...＝a
39
＝0.01，a
40
＝a
41
＝...＝a
49
＝0.005；
[0077]
s11：引入增量式pid控制，生成控制量u(k)。主程序位于一个无限循环中，程序将记住之前三次循环得到的实际流速测量值与最佳流速值的差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)以及之前一次循环得到的控制量u(k-1)，利用式δu(k)＝k
p
[e(k)-e(k-1)] kie(k) kd[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]计算控制量增量δu(k)，再利用式u(k)＝u(k-1) δu(k)更新控制量u(k)。其中，k
p
、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数，可以根据实际控制效果进行调整，此处分别为1.25、0.5、0.2。
[0078]
s12：由控制量u(k)生成频率与其成正比的特定pwm波(当u(k)＝0时，输出低电平)，将其输出给l298n电机驱动模块，调节步进电机的启停、方向和转速，由步进电机调节孔板的位置(开度)，进而调节箱体中的流速。
[0079]
s13：在支撑结构中放置振动圆杆(即绕流物体)，支撑结构是由亚克力板搭建的长方体，两侧有流体入口和出口，流体入口有一层固定的孔板，支撑结构在流体区域的上方两侧留有小孔，用以通过磁铁棒，并在这些小孔的上方放置磁线圈，支撑结构的长宽高都应在500mm以内，圆杆的长度方向与水流方向垂直，并且需要在与圆杆方向和水流方向都垂直的方向为圆杆留足振动的余量，振动余量应当大于等于绕流物体横截面的两倍当量直径。留余量的方式为在支撑结构内部平行于水流方向放置两块有一定间距的孔板，孔的位置即圆杆的位置，孔的形状为直槽形，槽的方向为圆杆振动方向，槽的长度即振动余量。这个余量应大于圆杆的两倍直径，支撑结构内部两块孔板的距离应大于等于圆杆长度的80％，圆杆圆心的间距也大于圆杆的两倍直径，圆杆直径应在10～20mm范围内，圆杆的数量可根据支撑结构的具体尺寸进行调整，最少不少于10根，最多可有数百根。发电装置的进口面需要有一层固定的第一孔板，并在进口面外部两侧有导轨，后续将另一层可移动式的第二孔板插入导轨。
[0080]
s14：圆杆之间应有传动连接，例如，可以在垂直于水流方向采用弹簧连接圆杆，在平行于水流方向将圆杆用刚性连接件连接。该刚性连接件上有朝上(即垂直水流流动方向)的圆柱形凹槽，槽内放置磁铁棒，使磁铁棒在圆杆振动时切割固定于装置上的磁线圈。用电机连接可移动的孔板，将所述控制模块安装在发电装置上，监测流入装置的水流流速，当流速偏离所需要的最佳流速时时，通过电机调节孔板上下移动，改变节流面积，调节流速。线圈连接所述的电路模块，将交流电转化为直流电，最终直流电流入蓄电池，完成流体动力捕捉。
[0081]
实施例1
[0082]
s1：如图1所示，为本实施例装置的三维结构模型。由图1可以看出，该装置的结构是关于其纵剖面对称的，故可建立关于纵剖面对称的1/2装置模型。在三维建模软件中，建立该装置的实体模型。根据该实体模型的内部流道，将其简化为二维的内部流道网格模型。通过网格划分软件，将内部流道模型离散为内部流道网格模型，并将圆杆附近的区域进行网格细化，如图2所示，为利用icem进行划分的内部流道网格模型，并且有两个网格尺寸不同的流体区域；
[0083]
将得到的内部流道网格模型导入计算流体力学软件fluent软件中，并根据设计文件，将内部流道网格模型的速度入口边界条件设置为入口速度3m/s。将内部流道网格模型中的内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，将网格尺寸不同的两个流体区域间的交界面条件设置为匹配，同时将纵剖面所在处设置对称边界条件。根据设计文件对内部流道网格
模型占据的全部空间赋予流体属性；
[0084]
s2：在计算流体力学fluent软件中，选择相应的湍流模型并设置其余参数后，在解决方案的解决方案动画进行设置，以选择速度中的涡度量级，每计算一次保存一次图像，之后开始计算。经过一定的时步与时步数，计算结束后，在所述计算流体力学fluent软件的动画中生成动画；
[0085]
s3：如图3所示，计算得到re≈3
×
104，在指定范围内，但卡门涡街并不明显，变化不剧烈，需要进行优化。不改变圆杆的直径，只改变其排列方式，将流道内上下圆杆的间距缩小，流动速度仍为3m/s，其内部流道模型如图4所示。更改后的流道模型进行计算后得到的涡度量级云图如图5所示，卡门涡街明显，结束优化过程。
[0086]
s4：如图6所示为能量回收电路及仿真效果图，该电路仅使用2个二极管、三个电容和两个电阻，使损耗降低；相较于升降压电路，该电路在不需要外部供能的同时可将电压升高至2倍。图7所示为二阶rc低通滤波器，由两个电容和两个电阻组成，结构简单，经过滤波器之后当前输出除了与当前时刻的输入有关系还和上两个时刻的输出有关，因此在高频工作条件下可以实现输出电压纹波的有效降低；
[0087]
s5：选用arduino mega2560r3主控芯片、lm2596稳压电源模块、l298n电机驱动模块、yf-b5流速传感器、42步进电机等硬件设备，使用杜邦线进行连线，以构成如图8所示的整个控制系统。在arduino中写入驱动程序，使得arduino可以正常驱动电机、读取流速传感器信号、通过串口与上位机通信。引入均值滤波与增量式pid控制。最后由控制量u(k)生成频率与其成正比的特定pwm波(当u(k)＝0时，输出低电平)，将其输出给l298n电机驱动模块，调节电机的启停、方向和转速，形成如图9、图10所示的软件系统。
[0088]
s6：将圆杆、箱体、磁铁棒、线圈、弹簧等零件组装起来，形成如图1所示的模型，圆杆与磁铁棒之间的连接件如图11所示，下方两个圆孔插入振动圆杆，中间朝上的圆孔插入磁铁棒，磁铁棒上端插入磁线圈。水流流入装置时，带动圆杆振动，圆杆带动磁铁棒上下移动切割磁感线，使得线圈产生不稳定的交流电，交流电经过能量回收电路转化为直流电，流入蓄电池，完成水能转化为电能。
[0089]
本发明有效避免了传统水轮机的多种弊端，简单易用，不仅没有噪声污染也不会对周围生物环境造成影响，避免了复杂的理论计算与实验矫正，大大简化了实验设计过程，为流体动力捕捉方式开拓了新路径。
[0090]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。