برداشت انرژی با استفاده از تیر بایمورف متخلخل با لایه پیزوالکتریک تحت ارتعاشات القایی ناشی از جریان سیال خارجی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک/پژوهشکده مطالعات کاربردی سیستم های قدرت، دانشکاه شهیدمدتی آذزبایجان، تبریز، ایزان

2 دانشکده مکانیک/ گروه مهندسی مکانیک/ دانشگاه تبریز

چکیده

در این تحقیق به مطالعه برداشت انرژی توسط تیرهای متخلخل واقع در معرض جریان سیال خارجی پرداخته می‌شود. معادلات دیفرانسیل غیرخطی الکترومکانیکی کوپل حاکم بر رفتار ارتعاشات عرضی تیر متخلخل واقع در معرض جریان سیال خارجی با استفاده از تئوری تیر اویلر-برنولی و اصل همیلتون استخراج شده است. تیر متخلخل یکسرگیردار با جرم متمرکز در انتهای آن که مجهز به یک لایه پیزوالکتریک در سطح بالایی خود است، به عنوان برداشت کننده انرژی در نظر گرفته شده و بعد از حل عددی معادلات غیرخطی کوپل حاکم به بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر میزان انرژی تولید شده پرداخته می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که در نواحی ناحیه قفل‌شدگی میزان برداشت انرژی توسط تیر دارای حداکثر مقدار خود می‌باشد. همچنین، توزیع تخلخل تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر حداکثر دامنه نوسانات و همچنین انرژی برداشت شده توسط تیر متخلخل دارد و ناحیه قفل‌شدگی برای تیر با توزیع تخلخل متقارن (سخت‌شوندگی در جداره)، توزیع تخلخل نامتقارن و توزیع تخلخل یکنواخت در محدود سرعت می‌باشد. علاوه بر این، به ازای مقاومت الکتریکی R=100kΩ، حداکثر ولتاژ تولید شده برای تیر با توزیع تخلخل متقارن به صورت سخت‌شوندگی در جداره، توزیع تخلخل نامتقارن و توزیع تخلخل یکنواخت به ترتیب برابر با 0.39V، 0.44V و 0.57V می‌باشد که نشان دهنده بیشترین قابلیت برداشت انرژی مربوط به تیر با توزیع تخلخل نوع سوم می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Renewable Energy Harvesting by Vortex-Induced Vibration of Bimorph Porous Beam with Piezoelectric Layer

نویسندگان [English]

  • Mohsen Fallah 1
  • vahid Arab Maleki 2
1 Mechanical engineering group, Azarbaijan Shahid Madani University
2 Department of Mechanical Engineering/ University of Tabriz
چکیده [English]

In this study, energy harvesting by porous beams exposed to external fluid flow is studied analytically. The nonlinear electromechanical non-linear differential equations governing the transverse vibration of porous beams under external fluid flow have been extracted using Euler-Bernoulli beam theory and Hamilton's principle. A cantilever bimorph beam with a concentrated mass at its end, which is equipped with piezoelectric layer, is considered as an energy harvesting system. After solving the nonlinear equations of motion, the effect of different parameters on the amount of harvested energy is examined. The results show that in the areas of the lock-in phenomenon, the amount of harvested energy by the beam has its maximum value. Also, the porosity distribution has significant effect on the maximum amplitude of oscillations, as well as the energy harvested by the porous beam. The lock-in phenomenon for the porous beam with distribution of symmetrical porosity (wall stiffness), asymmetric porosity distribution and uniform porosity distribution is taken around u=0.15. In addition, for electrical resistance R = 100kΩ, the maximum voltage generated for the bimorph porous beam by the distribution of symmetrical porosity in the wall stiffness, asymmetric porosity distribution and uniform porosity distribution is 0.39V, 0.44V and 0.57V, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy harvesting
  • bimorph porous beam
  • Vortex-induced vibration
  • lock-in phenomenon