مدلسازي اجزاء محدود سيال-جامد-پيزوالكتريك به منظور بررسي راههاي بهبود عملكرد ميكرو جاذب انرژي پيزوالكتريك در جريان سيال

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

در اين مقاله با كمك روش اجزاء محدود، يك مدل كوپل سيال- جامد- پيزوالكتريك براي مطالعه و بهبود عملكرد يك ميكرو مبدل پيزوالكتريكي توسعه يافته كه براي جذب انرژي از جريان سيال طراحي شده است. در اين جاذب انرژي، عبور جريان لزج و آشفته سيال از روي يك مانع سبب وقوع پديده جدايش گردابه ميگردد. جدايش گردابه‌ها موجب اعمال يك نيروي برآي نوساني به تير پيزوالكتريكي مي‌شود كه در پايين دست مانع قرار گرفته است. نوسانات حاصله در تير با توجه به خاصيت پيزوالكتريكي منجر به توليد جريان و انرژي الكتريكي خواهد شد. معادلات ناوير- استوكس و روش شبيه‌سازي گردابه بزرگ براي توصيف رفتار جريان آشفته سيال، و معادلات پيوستگي مومنتوم خطي به همراه روابط ساختاري پيزوالكتريك براي تعيين تغيير شكل جامد و شدت ميدان الكتريكي توليدي به كار گرفته شده‌اند. با طراحي آزمون‌هاي عددي به روش تاگوچي، تأثير پارامترهاي مختلف بر عملكرد برداشت كننده مطالعه شده است. مطابق با نتايج بدست آمده، انتخاب شكل مثلثي يا دي-شكل براي مانع و اتخاذ كمترين مقدار ممكن براي نسبت طول به ارتفاع مانع، فاصله تير تا مانع جسم، و خروج از مركز تير نسبت به مانع براي بهبود عملكرد جاذب سودمند است. ضمن اينكه شكل مانع مؤثرترين پارامتر مورد بررسي بوده است.

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.