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

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، تاثیر 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 موثرترین پارامتر مورد بررسی بوده است.

finite element modeling of fluid-solid-piezoelectric for investigating the ways of improving the performance of the micro energy harvester in the fluid flow

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.