بررسی رفتار دینامیکی میکروتیر تحت اثر ولتاژ و جریان سیال به عنوان میکروتولیدکننده گردابه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تبریز

2 داشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

3 تبریز*مهندسی مکانیک

چکیده

در این تحقیق ارتعاشات غیرخطی میکروتیر یک سر گیردار تحت اثر همزمان ولتاژ و جریان سیال به عنوان میکروتولیدکننده گردابه مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به اینکه میکروتیر موردنظر در معرض جریان سیال با سرعت معین قرار دارد، علاوه بر نیروی ناشی از جرم افزوده سیال، اثر نیروهای برآ و پسا به عنوان دو پارامتر مهم ناشی از جریان سیال بر ارتعاش میکروتیر با استفاده از معادله واندرپل شبیه‌سازی گردید. از تئوری تیر اویلر-برنولی جهت مد لسازی ارتعاش میکروتیر تحت اثر نیروی غیرخطی الکترواستاتیک ناشی از اعمال ولتاژ در جهت عمود بر جریان سیال استفاده گردیده و نشان داده شد که با توجه به اثر متقابل حرکت ساختار و نوسان سیال، معادلات حاکم به هم وابسته می‌باشند. جهت تبدیل معادلات با مشتق جزئی به معادلات دیفرانسیل معمولی از روش عددی گلرکین استفاده نموده و پاسخ سیستم به اثر ولتاژ در حضور جریان سیال مورد بررسی قرار گرفت. اثر جریان سیال بر عدد رینولدز و فرکانس گردابه سیال به عنوان دو عامل مهم در ایجاد پدیده گردابه مورد مطالعه قرار گرفته و پاسخ سیستم به سیال با سرعت‌های جریان مختلف به دست آمد. همچنین اثر ولتاژهای اعمالی مختلف بر پاسخ سیستم تحت اثر جریان سیال معین مورد بررسی قرار گرفته و از آن برای کنترل ناحی های که در آن پدیده قفل‌شدگی اتفاق می‌افتد استفاده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Dynamic Behavior of a Micro-Beam Subjected to Voltage and Fluid Flow as a Micro Vortex Generator

نویسندگان [English]

  • mousa rezaee 1
  • Naser Sharafkhani 2
  • Mohammad Taghi Shervani Tabar 3
1 university of tabriz
2 Department of mechanical engineering, university of Tabriz, Tabriz, Iran.
3 Department of mechanical engineering, university of Tabriz, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

The present work investigated the nonlinear vibration of a cantilever cylindrical micro-beam subjected to voltage and fluid flow as a micro vortex generator. As the microbeam is subjected to the fluid with a given velocity, in addition to the load due to fluid added mass, the lift and drag forces as the two basic flow-induced factors affecting the dynamics of the micro-beam were modeled using Van der pol equation. The Euler-Bernoulli beam theory was used to model the cross fluid motion of beam under nonlinear electrostatic force as a result of the applied voltage. The Galerkin method was used to convert the partial differential equation to regular differential equations as well as to solve the coupled nonlinear equations governing the micro-beam motion and the wake oscillation to evaluate the response of the coupled structure to a combined applied voltage and fluid flow. The effect of fluid flow on the Reynolds number and fluid vortex frequency as two main parameters in the creation of the Lock-in phenomenon was studied. In addition to the effect of different fluid velocities, the response of the micro-beam to different input voltages in the presence of fluid flow was investigated and it was shown that for a given flowing fluid, the applied voltage can be used to control the lock-in regime.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micro vortex generator
  • Micro-beam
  • Voltage
  • Fluid flow
  • Lock-in

مراجع

[1] K. Eom, H.S. Park, D.S. Yoon, T. Kwon, Nanomechanical resonators and  their  applications  in biological/chemical detection: Nanomechanics principles, Physics Reports, 503(4) (2011) 115-163.
[2]  W.C. Chuang, H.L. Lee, P.Z. Chang, Y.C. Hu, Review on the modeling of electrostatic MEMS, Sensors, 10 (2010) 6149-6171.
[3]  A. Nisar, N. Afzulpurkar, B. Mahaisavariya, A. Tuantranont, MEMS-based micropumps in drug delivery and biomedical applications, Sensors and Actuators B: Chemical, 130(2) (2008) 917-942.
[4]  O.Y. Loh, H.D. Espinosa, Nanoelectromechanical contact switches, Nature Nanotechnology, 7 (2012) 283.
[5]    M.I.  Younis,  E.M.  Abdel-Rahman,   A.   Nayfeh, A   reduced-order    model    for    electrically actuated microbeam-based MEMS, Journal of Microelectromechanical Systems, 12(5) (2003) 672- 680.
[6]  W.C. Chuang, Y.C. Hu, C.Y. Lee, W.P. Shih, P.Z. Chang, Electromechanical behavior of the curled cantilever beam, Journal of Micro/Nanolithography, MEMS MOEMS, 8 (2009) 033020-033028.
[7]  F.G. Golzar, R. Shabani, H. Hatami, G. Rezazadeh, Dynamic Response of an Electrostatically Actuated Micro-Beam in an Incompressible Viscous Fluid Cavity, Journal of Microelectromechanical Systems, 23(3) (2014) 555-562.
[8]  J.W.M. Chon, P. Mulvaney, J.E. Sader, Experimental validation of theoretical models for the frequency response of atomic force microscope cantilever beams immersed in fluids, Journal of Applied Physics, 87(8) (2000) 3978-3988.
[9]  N. Guan, T. Luan, Z.e.a. Liu,  Vortex  distribution and mixed convection of liquid flow across micro- cylinders in a rectangular channel, Heat Mass Transfer, 52 (3) (2016) 657-670
[10]  A. Tamayol, J. Yeom, M. Akbari, M. Bahrami, Low Reynolds number flows across ordered arrays of micro-cylinders embedded in a rectangular micro/ minichannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 58(1) (2013) 420-426.
[11]  F. Alfieri, M.K. Tiwari, A. Renfer, T. Brunschwiler, B. Michel, D. Poulikakos, Computational modeling of vortex shedding in water cooling of 3D integrated electronics, International Journal of Heat and Fluid Flow, 44 (2013) 745-755.
[12] J. Pierce, Experimental study of micro-vortex generators, The University of Texas, 2010.
[13] X. Shang, X. Huang, C. Yang, Vortex generation and control in a microfluidic chamber with actuations, Physics of Fluids, 28(12) (2016) 122001.
[14] X. Wang, J. Zhou, I. Papautsky, Vortex-aided inertial microfluidic device for continuous particle separation with high size-selectivity, efficiency, and purity, Biomicrofluidics, 7(4) (2013) 044119.
[15] M. Rezaee, N. Sharafkhani, Electrostatically frequency tunable micro-beam-based piezoelectric fluid flow energy harvester, Smart Materials and Structures, 26(7) (2017) 075008.
[16] S. Kaneko, I. Nakamura, T.F.M. Kato, K. Ishihara, T. Nishihara, N.W. Mureithi, M.A. Langthjem, Fluid- Induced Vibrations, Classifications and lessons from practical experiences, Elsevier, 2014.
[17] C.H.K. Williamson, Vortex Dynamics in the Cylinder Wake, Annual Review of Fluid Mechanics, 28(1) (1996) 477-539.
[18]  M.L. Facchinetti, E. de Langre, F. Biolley, Coupling of structure and wake oscillators in vortex-induced vibrations, Journal of Fluids and Structures, 19(2) (2004) 123-140.
[19]    M.P. Païdoussis, S.J. Price, E. de Langre, Fluid Structure Interactions: Cross-Flow-Induced Instabilities, Cambridge University Press, New York., 2011.
[20]  R.D. Blevins, Flow-induced Vibration, Van Nostrand Reinhold, Florida., 2001.
[21]  C. Ke, H.D. Espinosa, N. Pugno, Numerical Analysis of Nanotube Based NEMS Devices — Part II: Role of Finite Kinematics, Stretching and Charge Concentrations, Journal of Applied Mechanics, 72(5) (2005) 726-731.
[22]   L. Meirovitch, Analytical methods in vibration, Macmillan, New York., 1967.
[23]   J. Lienhard, Synopsis of lift, drag and vortex frequency data for rigid circular cylinder, Washington State University, 1966.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 8
آبان 1399
صفحه 2231-2242

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار