随着微机电技术和传感技术的不断发展,无线传感网络被广泛应用于海洋环境监测领域。目前,无线传感网中各浮标传感器大多采用海底电缆或电池供电,寿命有限且存在环境污染。在远海区域利用经济环保的波浪能驱动压电陶瓷发电制作成微电源为监测网络供能,成为国内外研究热点。但是波浪能大多蕴含在以波为中心的相对较窄的频带中,而压电发电元件固有频率相对较高,难以实现共振条件下的高效发电。本课题提出一种基于涡激升频的振荡水柱压电发电装置,在传统振荡水柱气室出气口引入钝体,利用涡激振动的易激发性驱动压电悬臂梁进行能量收集,实现了环境低频激励到压电发电所需高频激励间的升频转换。利用ANSYS有限元软件分别对振荡水柱波浪能采集装置和升频式涡激振动压电发电装置两个组成部分进行仿真分析,主要研究内容如下:为了有效的采集波浪能,本文设计一种半球形多向波能采集振荡水柱气室来提升波浪俘获效率。在规则波正向入射条件下,基于流体仿真分析软件(FLUENT)、流体动力学连续性假设和不可压缩粘性流体纳维-斯托克斯方程(N-S方程)建立半球形振荡气室和三维数值波浪水槽模型,对比分析无后壁气室和有后壁气室的波浪俘获能力,研究后壁波道开口角度、前壁厚度、前壁入水深度对振荡水柱气室能量输出的影响,得出增设气室后壁及合理改变后壁波道开口角度可明显提升波浪能俘获效率,增大气室前壁厚度和减小入水深度可有效提高气室顶部压强和出气口速度,为后续的二次能量转换提供优质空气动力。研究升频式涡激振动压电发电装置,首先不考虑压电悬臂梁变形,建立二维钝体绕流模型,分析不同来流速度、不同钝体形状下气流经钝体阻碍产生漩涡脱落的升频效果,得出圆形钝体尾迹区域可获得压强差较大、频率较高的气流,增大流速和减小圆形钝体直径可以提高漩涡脱落频率;然后不考虑流场漩涡脱落,建立压电悬臂梁模型,研究不同压电材料、不同结构尺寸对压电悬臂梁固有频率的影响,得出PZT-5H型悬臂梁固有频率较低,增大梁长和减小梁厚可以降低悬臂梁固有频率;最后在确定流场升频效果及压电悬臂梁固有频率的基础上,建立涡激振动压电发电装置的三维流-固-电耦合模型,对比分析无钝体和有钝体流场下压电悬臂梁的自由端位移和输出电压,研究钝体与悬臂梁之间的水平距离和悬臂梁偏移距离对压电悬臂梁输出电压的影响,仿真获得9.96 V的最大输出电压。