شبیه‌سازی عددی ارتعاشات القایی ناشی از نوسانات فرکانس پایین جریان سیال اطراف تیغه‌های پیزوالکتریک جهت یافتن ساختار بهینه به منظور برداشت انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

آزمایشگاه پژوهشی توربولانس دینامیک سیالات محاسباتی و احتراق، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه قم، قم، ایران

چکیده

یکی از مهمترین مسائل پیش روی جامعه امروزی موضوع تولید انرژی و چالش‌های پیرامون آن می‌باشد. به همین دلیل پرداختن به مسئله برداشت انرژی از روش‌های گوناگون بسیار حائز اهمیت است. یکی از همین روش‌ها، برداشت انرژی از ارتعاشات ناشی از جریان سیال می‌باشد. ارتعاشات به وجود آمده از جریان تراکم‌ناپذیر سیال هوا اطراف یک سیلندر که در پشت آن سه تیغه از جنس پیزوالکتریک در ساختارهای مختلف قرار دارد می‌تواند یکی از بهترین گزینه‌ها برای بررسی و ارزیابی مقدار نیروی الکتریکی بدست آمده از ارتعاشات تیغه پیزوالکتریکی باشد. مطابق این پژوهش، حالتی که در آن تیغه پیزوالکتریک میانی به اندازه نصف طول تیغه به سمت راست تغییر مکان داده و جهت گیره نگهدارنده آن مخالف جهت گیره نگهدارنده تیغه‌های بالا و پایین ‌است، هم از نظر میزان تولید ولتاژ و هم از نظر کاهش احتمال برخورد تیغه‌ها با یکدیگر بهترین ساختار معرفی می‌شود. با توجه به کاهش احتمال برخورد تیغه‎‌ها با یکدیگر در این حالت بهینه، بیشترین عدد رینولدز بدون برخورد تیغه‌ها از 2400 در ساختارهای غیر بهینه به 2600 در ساختار بهینه رسیده و همین موضوع موجب افزایش 12 درصدی تولید ولتاژ در تیغه میانی و حدوداً 14 درصدی در تیغه‌های بالا و پایین شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Induced Vibrations Due to Low Frequency Flow Oscillations around Piezoelectric Blades to Design the Best Configuration for Energy Harvesting

نویسندگان [English]

  • Mehran Heidari
  • Mohammad Kazem Moayyedi
CFD, Turbulence and Combustion Research Lab., Department of Mechanical Engineering, University of Qom, Qom, Iran
چکیده [English]

One of the most important issues facing today's society is the issue of energy production and the challenges surrounding it. For this reason, it is very important to address the issue of energy harvesting from various methods. One of these methods is energy harvesting from vibrations caused by fluid flow. Vibrations generated by the incompressible air fluid flow around three parallel piezoelectric blades behind a circular cylinder at different longitudinal distances can be one of the best options for examining and evaluating the amount of electrical voltage generated by piezoelectric blade vibrations. According to this study, a situation in which the middle piezoelectric blade is shifted by half the length of the blade to the right and the direction of the clamp is opposite to the direction of the clamp of the up and down blades is the optimal structure for voltage output and reducing collision probability. Due to the reduced probability of the blades colliding with each other in this optimal case, the maximum Reynolds number without the blades colliding increased from 2400 in non-optimal structures to 2600 in the optimal structure, which increased the voltage output in the middle blade by 12% and about 14% for up and down blades.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Computational fluid dynamics
  • Energy harvesting
  • Fluid-structure interaction
  • Piezoelectric blades
  • Low frequency oscillations

مراجع

[1] G.W. Taylor, J.R. Burns, S. Kammann, W.B. Powers, T.R. Welsh, The energy harvesting eel: a small subsurface ocean/river power generator, IEEE journal of oceanic engineering, 26(4) (2001) 539-547.
[2] S. Pobering, N. Schwesinger, A novel hydropower harvesting device, in:  2004 International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems (ICMENS'04), IEEE, (2004), pp. 480-485.
[3] W.P. Robbins, D. Morris, I. Marusic, T.O. Novak, Wind-generated electrical energy using flexible piezoelectric mateials, in:  ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, (2006), pp. 581-590.
[4] Q. Zheng, Y. Xu, Asymmetric air-spaced cantilevers for vibration energy harvesting, Smart materials and Structures, 17(5) (2008) 055009.
[5] R. Guigon, J.-J. Chaillout, T. Jager, G. Despesse, Harvesting raindrop energy: experimental study, Smart Materials and Structures, 17(1) (2008) 015039.
[6] T. Wacharasindhu, J. Kwon, A micromachined energy harvester from a keyboard using combined electromagnetic and piezoelectric conversion, Journal of Micromechanics and Microengineering, 18(10) (2008) 104016.
[7] C.D.M. Junior, A. Erturk, D.J. Inman, An electromechanical finite element model for piezoelectric energy harvester plates, Journal of Sound and Vibration, 327(1-2) (2009) 9-25.
[8] H.D. Akaydin, N. Elvin, Y. Andreopoulos, Energy harvesting from highly unsteady fluid flows using piezoelectric materials, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 21(13) (2010) 1263-1278.
[9] H. Mutsuda, Y. Tanaka, R. Patel, Y. Doi, Y. Moriyama, Y. Umino, A painting type of flexible piezoelectric device for ocean energy harvesting, Applied Ocean Research, 68 (2017) 182-193.
[10] M. Liu, H. Xia, G. Liu, Experimental and numerical study of underwater piezoelectric generator based on Vortex-induced Vibration, Engineering Research Express, 3(4) (2021) 045056.
[11] N.G. Elvin, N. Lajnef, A.A. Elvin, Feasibility of structural monitoring with vibration powered sensors, Smart materials and structures, 15(4) (2006) 977.
[12] E. Izadpanah, Y. Amini, A. Ashouri, A comprehensive investigation of vortex induced vibration effects on the heat transfer from a circular cylinder, International Journal of Thermal Sciences, 125 (2018) 405-418.
[13] N. Mahir, Z. Altaç, Numerical investigation of convective heat transfer in unsteady flow past two cylinders in tandem arrangements, International Journal of Heat and Fluid Flow, 29(5) (2008) 1309-1318.
[14] L. Lu, M.-m. Liu, B. Teng, Z.-d. Cui, G.-q. Tang, M. Zhao, L. Cheng, Numerical investigation of fluid flow past circular cylinder with multiple control rods at low Reynolds number, Journal of Fluids and Structures, 48 (2014) 235-259.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 9
آذر 1401
صفحه 2009-2040

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار