مدلسازی اجزاء محدود سیال-جامد-پیزوالکتریک به منظور بررسی راه‎های بهبود عملکرد میکرو جاذب انرژی پیزوالکتریک در جریان سیال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

4 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

در این مقاله با کمک روش اجزاء محدود، یک مدل کوپل سیال- جامد- پیزوالکتریک برای مطالعه و بهبود عملکرد یک میکرو مبدل پیزوالکتریکی توسعه یافته که برای جذب انرژی از جریان سیال طراحی شده است. در این جاذب انرژی، عبور جریان لزج و آشفته سیال از روی یک مانع سبب وقوع پدیده جدایش گردابه می‎گردد. جدایش گردابه‌ها موجب اعمال یک نیروی برآی نوسانی به تیر پیزوالکتریکی می‌شود که در پایین دست مانع قرار گرفته است. نوسانات حاصله در تیر با توجه به خاصیت پیزوالکتریکی منجر به تولید جریان و انرژی الکتریکی خواهد شد. معادلات ناویر- استوکس و روش شبیه‌‎سازی گردابه بزرگ برای توصیف رفتار جریان آشفته سیال، و معادلات پیوستگی مومنتوم خطی به همراه روابط ساختاری پیزوالکتریک برای تعیین تغییر شکل جامد و شدت میدان الکتریکی تولیدی به کار گرفته شده‌اند. با طراحی آزمون‌های عددی به روش تاگوچی، تأثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد برداشت کننده مطالعه شده است. مطابق با نتایج بدست آمده، انتخاب شکل مثلثی یا دی-شکل برای مانع و اتخاذ کمترین مقدار ممکن برای نسبت طول به ارتفاع مانع، فاصله تیر تا مانع جسم، و خروج از مرکز تیر نسبت به مانع برای بهبود عملکرد جاذب سودمند است. ضمن اینکه شکل مانع مؤثرترین پارامتر مورد بررسی بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Finite Element Modeling of Fluid-Solid-Piezoelectric for Investigating the Ways of Improving the Performance of the Micro Energy Harvester in the Fluid Flow

نویسندگان [English]

  • Masoomeh Salari 1
  • Hamed Afrasiab 2
  • Mohammad Hadi Pashaei 3
  • Reza Akbari Alashti 4
1 دانشکده مهندسی مکانیک
2 Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
3 Associate Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
4 دانشکده مهندسی مکانیک
چکیده [English]

A coupled fluid-solid-piezoelectric model has been developed by finite element method to study and improve the performance of a micro piezoelectric transducer designed for fluid flow energy harvesting. In this harvester, when the turbulence flow of water passes over a bluff body, the vortex shedding phenomenon occurs and applies a periodical lift force to a piezoelectric beam placed in the downstream region. The resulting oscillations in the piezoelectric beam lead to electrical power generation. Navier-Stokes equations and large-eddy simulation method have been used to describe the fluid turbulence flow, and equations of conservation of linear momentum along with piezoelectric constitutive relations have been employed to obtain solid deformation and electric field intensity. Numerical experiments designed by Taguchi’s method have been used to study the effect of different parameters on the harvester performance. The results have shown that using a triangular or D-shape bluff body, and selecting the minimum possible values for the length to height ratio of the bluff body, the distance between the beam and the bluff body, and eccentricity of the beam relative to the bluff body is beneficial for better performance. Furthermore, the shape of the bluff body has been the most influential parameter on the harvester performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoelectric energy harvester
  • Micro scale
  • Vortex shedding phenomenon
  • finite element method
[1] Y. Gong, X. Shan, X. Luo, J. Pan, T. Xie, Z. Yang, Direction-adaptive energy harvesting with a guide wing under flow-induced oscillations, Energy, 187 (2019) 115–128.
[2] G.R. Franzini, L.O. Bunzel, A numerical investigation on piezoelectric energy harvesting from Vortex-Induced Vibrations with one and two degrees of freedom, Journal of Fluids and Structures, 77 (2018) 196–212.
[3] B. Zhang, K.-H. Wang, B. Song, Z. Mao, W. Tian, Numerical investigation on the effect of the cross-sectional aspect ratio of a rectangular cylinder in FIM on hydrokinetic energy conversion, Energy, 165 (2018) 949–964.
[4] H. Sun, C. Ma, M.M. Bernitsas, Hydrokinetic power conversion using Flow Induced Vibrations with nonlinear (adaptive piecewise-linear) springs, Energy, 143 (2018) 1085–1106.
[5] J. Wang, S. Zhou, Z. Zhang, D. Yurchenko, High-performance piezoelectric wind energy harvester with Y-shaped attachments, Energy Conversion and Management, 181 (2019) 645–652.
[6] R. Badhurshah, R. Bhardwaj, A. Bhattacharya, Lock-in regimes for Vortex-Induced Vibrations of a cylinder attached to a bistable spring, Journal of Fluids and Structures, 91 (2019) 102–131.
[7] B. Zhang, B. Song, Z. Mao, B. Li, M. Gu, Hydrokinetic energy harnessing by spring-mounted oscillators in FIM with different cross sections: From triangle to circle, Energy, 189 (2019) 116–132.
[8] M. Zheng, D. Han, S. Gao, J. Wang, Numerical investigation of bluff body for vortex induced vibration energy harvesting, Ocean Engineering, 213 (2020) 107–124.
[9] W.-J. Su, W.-Y. Lin, Design and analysis of a vortex-induced bi-directional piezoelectric energy harvester, International Journal of Mechanical Sciences, 173 (2020) 105–117.
[10] W. Sun, J. Seok, A novel self-tuning wind energy harvester with a slidable bluff body using vortex-induced vibration, Energy Conversion and Management, 205 (2020) 112–122.
[11]M. Gu, B. Song, B. Zhang, Z. Mao, W. Tian, The effects of submergence depth on Vortex-Induced Vibration (VIV) and energy harvesting of a circular cylinder, Renewable Energy, 151 (2020) 931–945.
[12] A.M. El-Otify, I.A. Iskaros, A.M. El-Otify, I.A. Iskaros, Water quality and potamoplankton evaluation of the Nile River in Upper Egypt, Acta Limnologica Brasiliensia, 27 (2015) 171–190.
[13] R. Clasing, E. Muñoz, Estimating the Optimal Velocity Measurement Time in Rivers’ Flow Measurements: An Uncertainty Approach, Water, 10 (2018) 1010–1025.
[14] A. Eltner, H. Sardemann, J. Grundmann, Flow velocity and discharge measurement in rivers using terrestrial and UAV imagery, Rivers and Lakes/Remote Sensing and GIS, 2019.
[15] Y. Zhiyin, Large-eddy simulation: Past, present and the future, Chinese Journal of Aeronautics, 28 (2015) 11–24.
[16]  I. Babu, G. de With, Enhanced electromechanical properties of piezoelectric thin flexible films, Composites Science and Technology, 104 (2014) 74–80.
[17] K.K. Sappati, S. Bhadra, Flexible Piezoelectric 0–3 PZT-PDMS Thin Film for Tactile Sensing, IEEE Sensors Journal, 20 (2020) 4610–4617.
[18] S.W. Ma, Y.J. Fan, H.Y. Li, L. Su, Z.L. Wang, G. Zhu, Flexible Porous Polydimethylsiloxane/Lead Zirconate Titanate-Based Nanogenerator Enabled by the Dual Effect of Ferroelectricity and Piezoelectricity, ACS Applied Materials & Interfaces, 10 (2018) 33105–33111.
[19] I. Babu, G. de With, Highly flexible piezoelectric 0–3 PZT–PDMS composites with high filler content, Composites Science and Technology, 91 (2014) 91–97.
[20] F. Pan, Z. Xu, L. Jin, P. Pan, X. Gao, Designed Simulation and Experiment of a Piezoelectric Energy Harvesting System Based on Vortex-Induced Vibration, IEEE Transactions on Industry Applications, 53 (2017) 3890–3897.
[21] H.D. Akaydın, N. Elvin, Y. Andreopoulos, Wake of a cylinder: a paradigm for energy harvesting with piezoelectric materials, Experiments in Fluids, 49 (2010) 291–304.
[22] G. Taguchi, Y. Yokoyama, Taguchi Methods: Design of Experiments, Amer Supplier Inst, Dearborn, Mich, 1993.
[23] N. Verhaagen, B. VanBossuyt, Flow on a 65-deg Blunt Apex, in: 24th AIAA Applied Aerodynamics Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006.
[24] M. Elsayed, F. Scarano, N.G. Verhaagen, Leading-Edge Shape Effect on the Vortex Flow Over Non-Slender Delta Wings, 2008.