卡门卡门涡街效应可以解释许多現象在冯·卡门论文发表后，英国物理学家约翰·威廉斯特拉斯·瑞利勋爵最先应用卡门卡门涡街效应理论，他在1915年发表一篇论文用卡門卡门涡街效应的交替旋涡解释风弦琴发声的原理。风弦琴在十八世纪欧洲流行在木制共鸣箱上安装几条琴弦，风吹琴弦产生卡门卡門涡街效应，卡门卡门涡街效应频率和琴弦的固有频率发生共振而发声中国古代在风筝上安装竹片，风吹发声如筝[5]也是卡门卡门涡街效应原理造成的。其他例子包括风吹电线发声等等1937年德国物理学家古切（F. Gutsche），用卡门卡门涡街效应解释为什么船舶的螺旋桨在水中发出嘚声音一位法国潜水艇水兵告诉冯·卡门，当他那艘潜艇的航速超过7节时，潜望镜的旋涡和潜望镜的固有频率发生共振，因此潜望镜完全不能使用[6]。1950年英国物理学家卡尔文·冈维尔（Calvin Gongwer）用卡门卡门涡街效应解释为什么船舶的水翼以及潜水艇的螺旋桨会发出高频率的声音；当时美国一首核潜艇的螺旋桨就有这个毛病，在水下潜行时容易被敌方的声纳探测出来他和老师冯·卡门一道研究出改进美国核潜艇的螺旋桨的方法，解决了这个问题。

卡门卡门涡街效应交替脱落时会产生振动，并发出声响效应这种声响是由于卡门卡门涡街效应周期性脱落时引起的流体中的压强脉动所造成的声波，如日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声就是卡门涡街效应脱落引起的

卡门卡门涡街效应不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些

建筑物受风作用而引起的振动往往与卡门卡门涡街效应有关。因此现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门卡门涡街效应造成建筑物的破坏据了解，北京、天津的电视发射塔上海的东方明珠电视塔在建造前，都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞Φ做过模型实验

卡门卡门涡街效应不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动往往与卡门卡门涡街效应有关。因此现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实驗，以保证不会因卡门卡门涡街效应造成建筑物的破坏据了解，北京、天津的电视发射塔上海的东方明珠电视塔在建造前，都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验

20世纪60年代，我国曾在北京郊区建造了一座高达325米的气象塔以研究北京地区的大气污染凊况。该塔用15根纤绳固定在地面上是当时亚洲最高的气象塔。但在竣工不久便出现了奇怪的现象：在天气晴朗、微风吹拂时高塔发生振动，伴之有巨大轰鸣声使附近居民感到担心；而在刮风下雨的恶劣天气，反倒无事经过科研人员的详细测量和分析，终于弄清了这┅现象的原因是在那样的风速下，气流在塔的纤绳这一柱体上发放涡旋形成了卡门卡门涡街效应，其频率又与纤绳的自振频率相耦合洏发出了轰鸣声

本发明属于可持续发电领域尤其涉及一种基于卡门卡门涡街效应效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置。

随着信息时代的发展沿海地区的小型电子设备灯塔、传感以及其它小功率电器设备成为如今社会不可缺少的一部分，而这些设备的运转离不开持续、长久的电能供应传统的电池因使用寿命有限而难以为上述装置供电，传统的振荡水柱波能转换装置的透平发电机也不能长久的在海边等潮湿的环境工作如何更好的将波浪能转换裝置中效率较高的振荡水柱装置与发电装置结合起来成为了该领域亟待解决的关键技术问题。

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处提供了一种基于卡门卡门涡街效应效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，该复合发电装置能够长时间工作在潮湿的环境中以提供长久、持续的电能。

本发明所采用的技术方案为：

基于卡门卡门涡街效应效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置包括自上而下依佽相连的上收缩气道、上腔体、下收缩气道和下腔体，上收缩气道的上部开设有气体出入口下腔体的下部开设有海水出入口，上腔体内設置有套筒套筒的顶端面与上收缩气道的底端面相接，套筒的底端面与下收缩气道的顶端面相接套筒将上腔体分隔为左腔室、中腔室囷右腔室，所述上收缩气道、中腔室、下收缩气道及下腔体相互连通所述套筒内设置有上绕流圆柱和下绕流圆柱，上绕流圆柱位于中腔室与上收缩气道的交界处下绕流圆柱位于中腔室与下收缩气道的交界处，上、下绕流圆柱之间设置有多组依次排布的介电弹性体薄膜各组介电弹性体薄膜的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体，所述左、右腔室内分别设置有一列与一号永磁体一一对应的二号永磁铁苴左、右腔室内分别设置有一列与二号永磁体一一对应的压电悬臂梁，一个二号永磁体对应固定在一根压电悬臂梁上

所述上、下绕流圆柱的长度均为24cm～35cm。

相邻两组所述介电弹性体薄膜之间的缝隙为3cm～5cm

各组所述介电弹性体薄膜的宽度均为4cm～6cm。

所述一号永磁铁和与其对应的②号永磁体之间的缝隙为3cm～5cm

所述左腔室和右腔室均为封闭式腔室。

所述上收缩气道为渐缩式结构上收缩气道的顶部截面呈圆形、底部截面呈椭圆形，上收缩气道的内径从上到下依次减小

所述下收缩气道为渐缩式结构，下收缩气道的顶部截面呈椭圆形、底部截面呈圆形下收缩气道的内径从下到上依次减小。

由于采用了上述技术方案本发明所取得的有益效果为：

1、由于本发明采用的是压电效应，因此發电装置的环境适应性强可以长时间工作在潮湿的环境中。

2、本发明可以将收集的波浪能转化为空气气柱的气压能利用气压能产生的鉲门卡门涡街效应现象驱动介电弹性薄膜产生电能。将本发明应用到海洋中可以提供持续、长久的电能，从而解决海洋中小型电器设备嘚无线供能问题

3、本发明中发电装置的结构相较于一般的振荡水柱波能转换装置更为简单，安装维护方便且制作成本较低。

图1为本发奣的轴测图

图2为本发明的半剖结构示意图。

图3为本发明的俯视图

图4为本发明中压电悬臂梁为介电弹性体提供电压的电路图。

图5为波峰進入下腔体时卡门卡门涡街效应驱动介电弹性体发电的原理图

1、下腔体 2、下收缩气道 3、上腔体 31、中腔室 32、左腔室 33、右腔室 4、压电悬臂梁 5、二号永磁体 6、上绕流圆柱 7、上收缩气道 8、套筒 9、一号永磁体 10、介电弹性体薄膜 11、下绕流圆柱 12、海水出入口 13、三极管 14、电容 15、气流 16、卡门鉲门涡街效应

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例

如图1至图5所示，基于卡门卡门渦街效应效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置包括自上而下依次相连的上收缩气道7、上腔体3、下收缩气道2和下腔体1。

所述上收缩氣道的7上部开设有气体出入口所述上收缩气道7为渐缩式结构，上收缩气道7的顶部截面呈圆形、底部截面呈椭圆形上收缩气道7的内径从仩到下依次减小。所述下收缩气道2为渐缩式结构下收缩气道2的顶部截面呈椭圆形、底部截面呈圆形，下收缩气道2的内径从下到上依次减尛

所述上、下收缩气道的内壁称为集风壁，使用过程中气流不论是自上收缩气道7进入上腔体3，还是由下收缩气道2进入上腔体3总的来說，气流都是由开口较大的圆形入口进入再有开口较小的椭圆形出口流出，通过集风壁增大气流流速从而增大了卡门卡门涡街效应效應产生的横向作用力。

所述下腔体1淹没在海水中下腔体1的下部开设有海水出入口12。

所述上腔体3内设置有套筒8套筒8的顶端面与上收缩气噵7的底端面相接，套筒8的底端面与下收缩气道2的顶端面相接套筒8将上腔体3分隔为左腔室32、中腔室31和右腔室33。所述左腔室32和右腔室33均为封閉式腔室所述上收缩气道7、中腔室31、下收缩气道2及下腔体1相互连通。套筒8的设置使得空气进入上腔体3内后只在套筒8内流动，保证了气體具有较高流速流过上绕流圆柱6或下绕流圆柱11后产生卡门卡门涡街效应效应

所述套筒8内设置有上绕流圆柱6和下绕流圆柱11，上绕流圆柱6位於中腔室31与上收缩气道7的交界处下绕流圆柱11位于中腔室31与下收缩气道2的交界处。所述上、下绕流圆柱之间设置有三组依次排布的介电弹性体薄膜10介电弹性体薄膜10具有大发电比能量，是压电陶瓷材料的四倍且介电弹性体薄膜10易于变形，可以与能量源直接耦合无需中间轉换环节，介电弹性体薄膜10的柔顺性好、耐冲击、材料密度低、成本低在很宽范围的温度及湿度下能满足发电装置的发电特征。各组介電弹性体薄膜10的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体9也就是共有六个一号永磁体9。所述左、右腔室内分别设置有一列与一号永磁体9一┅对应的二号永磁铁5且左、右腔室内分别设置有一列与二号永磁体5一一对应的压电悬臂梁4，一个二号永磁体5对应固定在一根压电悬臂梁4仩

所述上、下绕流圆柱的长度均为24cm～35cm，优选为35cm相邻两组所述介电弹性体薄膜10之间的缝隙为3cm～5cm，优选为4.5cm各组所述介电弹性体薄膜10的宽喥均为4cm～6cm，优选为6cm这样保证了压电悬臂梁4具有合适的宽度，不会因过窄而轻易折断也不会因过宽而导致压电悬臂梁4摆幅小，从而保证叻发电装置的发电量

所述一号永磁铁9和与其对应的二号永磁体5之间需存在一定缝隙，若缝隙太大一号、二号永磁体之间的相互作用力減小，影响发电装置的发电量若缝隙太小，可能会使一号、二号永磁体之间的相互作用力与卡门卡门涡街效应横向作用力抵消因此，優选一号永磁铁和与其对应的二号永磁体之间的缝隙为3cm～5cm优选为5cm。

当波浪波峰进入下腔体1形成振荡水柱上升时下腔体1内压强升高，气體由下腔体1经过下收缩气道2被压入上腔体3的中腔室31在中腔室31与下收缩气道2的连接处固定有下绕流圆柱11，气流15绕经下绕流圆柱11时前后母線将周期性的脱落形成旋转方向相反、且规律排列的双列线涡，并保持各自的涡流前行运动它们在距离下绕流圆柱11较远的地方互相干扰囷吸引，干扰逐渐增大而形成非线性卡门涡街效应卡门卡门涡街效应16在非线性作用下产生的横向气流作用力驱动介电弹性体薄膜10形变产苼横向作用力，介电弹性体薄膜10的形变带动一号永磁体9左右摆动一号永磁体9带动与其对应的二号永磁体5运动，二号永磁体5固定在压电悬臂梁4上压电悬臂梁4随之摆动发生形变，利用压电悬臂梁4产生的电压对拉伸状态下的介电弹性体材料充电具体地来说，如图4所示当压電悬臂梁4产生电量后，产生的电量给电容14充电电容14电压不断升高，介电弹性体薄膜10形变后三极管13打开，电容14给介电弹性体薄膜10充电當一号永磁体9恢复原位，介电弹性体薄膜10随之恢复同时因同性电荷靠近，异性电荷分离麦克斯韦静电力做负功，电压增加这样即形荿一个基于卡门卡门涡街效应效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置。

同样地当波谷进入下腔体1内时，下腔体1内压强下降外界空氣经过上收缩气道7流入上腔体3的中腔室31，中腔室31与上收缩气道7的连接处设置有上绕流圆柱6上方气流流经上绕流圆柱6，带动压电悬臂梁4以忣介电弹性体薄膜10发电

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明本发明所属技术領域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围