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

10.22060/mej.2021.19490.7037

چکیده

در این مقاله با استفاده از 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 جسم مانع سبب وقوع پدیده جدایش گردابه می‎گردد. جدایش پریودیک گردابه‎ها موجب اعمال یک نیروی برّای نوسانی به تیر پیزوالکتریکی می‎شود که در پایین دست جسم 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 به فرم کرنش- بار 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 جسم مانع و اتخاذ کمترین مقدار ممکن برای نسبت طول به ارتفاع جسم مانع، فاصله تیر تا مانع جسم، و خروج از مرکز تیر نسبت به جسم مانع برای بهبود عملکرد جاذب سودمند است. ضمن اینکه شکل جسم مانع مؤثرترین پارامتر مورد بررسی در پژوهش حاضر 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]

In this paper, a coupled fluid-solid-piezoelectric model has been developed by the finite element method to study and improve the performance of a micro piezoelectric transducer designed for fluid flow energy harvesting. In the studied harvester, when the turbulence flow of water passes over a bluff body, the vortex shedding phenomenon occurs periodically 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 in strain-charge form have been employed to obtain the solid deformation and the 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 of these experiments 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 of the harvester. Furthermore, the shape of the bluff body has been the most influential parameter on the harvester performance in this study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoelectric energy harvester
  • Micro scale
  • Vortex shedding phenomenon
  • finite element method