پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 9 |
| تعداد شمارهها | 447 |
| تعداد مقالات | 5,734 |
| تعداد مشاهده مقاله | 8,047,193 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 6,547,393 |
بررسی اثر چیدمانهای متفاوت تیر پیزوالکتریک در برداشت انرژی از ارتعاشات گردابهای حول سیلندر دایرهای | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| دوره 56، شماره 2، 1403، صفحه 185-212 اصل مقاله (2.38 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2024.22869.7687 | ||
| نویسندگان | ||
| شیوا شریفی؛ علی اسماعیلی* | ||
| گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران | ||
| چکیده | ||
| در این تحقیق به منظور برداشت انرژی از پدیده ارتعاشات ناشی از گردابه جریان سیال، از مدل سیلندر و تیر پیزوالکتریک استفاده شده است. با توجه به اینکه چیدمانهای مختلف تیر پیزوالکتریک میتواند در میزان انرژی استحصال شده تأثیرگذار باشد در این مطالعه سه مدل چیدمان نصب تیر یکسرگیردار پیزوالکتریک در گردابههای پشت سیلندر دایرهای بررسی شده است. بدین منظور یک مدل کوپل سه طرفه سیال- جامد-پیزوالکتریک به صورت عددی در رژیم جریان سیال آشفته، لزج و ناپایا تعریف شده است. در چیدمان اول، یک تیر، در چیدمان دوم، سه تیر با آرایش موازی و در چیدمان سوم، سه تیر با آرایش مثلثی در گردابههای موجود در پشت سیلندر دایرهای قرار میگیرند و شبیهسازیها به ازای مقادیر مختلف مقاومت الکتریکی و تأثیر آن بر دامنه ارتعاشات، نسبت فرکانس، ولتاژ و توان خروجی بررسی میشود. در گام اول مقدار فرکانس ریزش گردابههای جریان سیال در هر یک از چیدمانها اندازهگیری شده است. در گام دوم نشان داده شده است که بیشترین دامنه نوسان و نسبت فرکانس در مقدار مقاومت 1000 اهم میباشد و با افزایش مقاومت، مقدار آن کم میشود. در گام سوم نشان داده شده است که با افزایش مقاومت، ولتاژ تولیدی به طور قابلتوجهی افزایش مییابد و حداکثر ولتاژ در مقدار مقاومت ۱00 مگااهم حاصل میشود و در مقابل حداکثر توان در مقادیر کم مقاومت الکتریکی بهدست میآید. در نهایت مشخص میشود که در آرایش موازی تیرها به دلیل میرایی کمتر ناشی از برهمکنش قویتر بین تیرها و لایههای برشی، دامنه ارتعاشی بزرگتر و خروجی الکتریکی بسیار بیشتری رخ میدهد. | ||
| کلیدواژهها | ||
| ارتعاشات ناشی از گردابه؛ برداشت انرژی؛ ریزش گردابه؛ پیزوالکتریک؛ کوپل سه طرفه | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Effect of Various arrangements of piezoelectric beam on Energy Harvesting of Vortex Induced Vibration of Circular Cylinder | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Shiva Sharifi؛ Ali Esmaeili | ||
| Mechanical and Aerospace Engineering Department, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| In this study, in order to harvest energy from the vortex-induced vibration of fluid flow, piezoelectric beams mounted behind a circular cylinder are considered, and the effect of various arrangements of the beams is studied. To reach this goal, a three-way coupling model in the turbulent, unsteady, and viscous flow regime is numerically investigated. The simulations are investigated for different values of electrical resistance and its effect on vibration amplitude, frequency ratio, voltage, and power output are compared. It has been shown that the maximum oscillation amplitude and frequency ratio occurs by a resistance value of 1000 Ω and its value decreases with the increase of resistance. Furthermore, by growing the load resistance, the generated voltage goes up significantly and the maximum voltage is obtained in the load resistance as 100 MΩ, Contrastingly, maximum power is obtained at low values of the load resistance. Finally, it is found that in the parallel arrangement of beams, due to less damping ratio due to stronger interaction between beams and shear layers, larger vibration amplitude, and much more electrical output occurs. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Vortex-Induced Vibration, Energy Harvesting, Vortex Shedding, Piezoelectric, Three-way coupling | ||
| مراجع | ||
|
[1] X. Li, Q. Gao, Y. Cao, Y. Yang, S. Liu, Z.L. Wang, T. Cheng, Optimization strategy of wind energy harvesting via triboelectric-electromagnetic flexible cooperation, Applied Energy, 307 (2022) 118311. [2] M. Li, A. Luo, W. Luo, F. Wang, Recent progress on mechanical optimization of mems electret-based electrostatic vibration energy harvesters, Journal of Microelectromechanical Systems, 31(5) (2022) 726-740. [3] U. Latif, E. Uddin, M. Younis, A. Abdelkefi, Wake flow effects on the energy harvesting characteristics of piezoelectric tandem flags, in: AIP Conference Proceedings, AIP Publishing, 2022. [4] A. Esmaeili, J. Sousa, Flow-driven piezoelectric energy harvester on a full-span wing for micro-aerial-vehicle (MAV) application, Arabian Journal for Science and Engineering, 45 (2020) 5713-5728. [5] M. Salari, H. Afrasiab, M.H. Pashaei, R. Akbari Alashti, Finite Element Modeling of Fluid-Solid-Piezoelectric for Investigating the Ways of Improving the Performance of the Micro Energy Harvester in the Fluid Flow, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 54(1) (2022) 31-54. (in Persian) [6] A. Abdelkefi, Aeroelastic energy harvesting: A review, International Journal of Engineering Science, 100 (2016) 112-135. [7] M. Zhang, Y. Song, A. Abdelkefi, H. Yu, J. Wang, Vortex-induced vibration of a circular cylinder with nonlinear stiffness: prediction using forced vibration data, Nonlinear Dynamics, 108(3) (2022) 1867-1884. [8] X. Zhang, M. Hu, J. Cai, A. Babenko, E. Shiju, Z. Xu, Numerical Simulation of Vortex-Induced Transverse Vibration of a Cylinder with Very Low Mass Ratio, Shock and Vibration, 2022 (2022). [9] Z. Li, S. Zhou, Z. Yang, Recent progress on flutter‐based wind energy harvesting, International Journal of Mechanical System Dynamics, 2(1) (2022) 82-98. [10] C. Xu, L. Zhao, Investigation on the characteristics of a novel internal resonance galloping oscillator for concurrent aeroelastic and base vibratory energy harvesting, Mechanical Systems and Signal Processing, 173 (2022) 109022. [11] J. Allen, A. Smits, Energy harvesting eel, Journal of fluids and structures, 15(3-4) (2001) 629-640. [12] 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. [13] 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. [14] J.F. Derakhshandeh, Fluid structural interaction of a flexible plate submerged in the wake of a circular cylinder, Ocean Engineering, 266 (2022) 112933. [15] Y. Amini, H. Emdad, M. Farid, An accurate model for numerical prediction of piezoelectric energy harvesting from fluid structure interaction problems, Smart materials and structures, 23(9) (2014) 095034. [16] H. Wang, Q. Zhai, J. Zhang, Numerical study of flow-induced vibration of a flexible plate behind a circular cylinder, Ocean Engineering, 163 (2018) 419-430. [17] H. Zhu, G. Li, J. Wang, Flow-induced vibration of a circular cylinder with splitter plates placed upstream and downstream individually and simultaneously, Applied Ocean Research, 97 (2020) 102084. [18] C. Mittal, A. Sharma, Flow-induced coupled vibrations of an elastically mounted cylinder and a detached flexible plate, Journal of Fluid Mechanics, 942 (2022) A57. [19] Y. Wu, F.-S. Lien, E. Yee, G. Chen, Numerical investigation of flow-induced vibration for cylinder-plate assembly at low Reynolds number, Fluids, 8(4) (2023) 118. [20] M. Jebelli, M. Masdari, Interaction of two parallel free oscillating flat plates and VIV of an upstream circular cylinder in laminar flow, Ocean Engineering, 259 (2022) 111876. [21] E. Barati, M.R. Zarkak, M. Biabani, Investigating the effect of the flow direction on heat transfer and energy harvesting from induced vibration in a heated semi-circular cylinder, Ocean Engineering, 279 (2023) 114487. [22] S. Mazharmanesh, J. Young, F.-B. Tian, J.C. Lai, Energy harvesting of two inverted piezoelectric flags in tandem, side-by-side and staggered arrangements, International Journal of Heat and Fluid Flow, 83 (2020) 108589. [23] S. Mazharmanesh, J. Young, F.-B. Tian, S. Ravi, J.C. Lai, Coupling performance of two tandem and side-by-side inverted piezoelectric flags in an oscillating flow, Journal of Fluids and Structures, 119 (2023) 103874. [24] A. Erturk, D.J. Inman, A Distributed Parameter Electromechanical Model for Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters, Journal of Vibration and Acoustics, 130(4) (2008). [25] A. Erturk, D.J. Inman, On mechanical modeling of cantilevered piezoelectric vibration energy harvesters, Journal of intelligent material systems and structures, 19(11) (2008) 1311-1325. [26] D.C. Wilcox, Turbulence modeling for CFD, DCW industries La Canada, CA, 1998. [27] M. Kobayashi, J. Pereira, J. Sousa, Comparison of several open boundary numerical treatments for laminar recirculating flows, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 16(5) (1993) 403-419. [28] K.-H. Mohr, Messungen instationärer Drücke bei Queranströmung von Kreiszylindern unter Berücksichtigung fluidelastischer Effekte, Publikationen vor 2000, 1981. [29] G. West, C. Apelt, Measurements of fluctuating pressures and forces on a circular cylinder in the reynolds number range 104 to 2· 5× 105, Journal of fluids and structures, 7(3) (1993) 227-244. [30] S. Szepessy, P. Bearman, Analysis of a pressure averaging device for measuring aerodynamic forces on a circular cylinder, Experiments in fluids, 16(2) (1993) 120-128. [31] C. Norberg, Fluctuating lift on a circular cylinder: review and new measurements, Journal of Fluids and Structures, 17(1) (2003) 57-96. [32] A. Roshko, On the drag and shedding frequency of two-dimensional bluff bodies, 1954. [33] K. Kwon, H. Choi, Control of laminar vortex shedding behind a circular cylinder using splitter plates, Physics of Fluids, 8(2) (1996) 479-486. [34] S. Shukla, R. Govardhan, J. Arakeri, Flow over a cylinder with a hinged-splitter plate, Journal of Fluids and Structures, 25(4) (2009) 713-720. [35] A. Erturk, D.J. Inman, An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations, Smart materials and structures, 18(2) (2009) 025009. [36] S. Kundu, H.B. Nemade, Modeling and simulation of a piezoelectric vibration energy harvester, Procedia Engineering, 144 (2016) 568-575. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 855 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 612 |
||