تحلیل تجربی ارتعاشات ناشی از جریان و برداشت انرژی در تونل باد با هندسه‌های الهام‌گرفته‌شده از برگ درختان

این پژوهش با هدف بهره‌گیری از فرم‌های طبیعی و الهام گرفته شده از برگ درختان، به بررسی ارتعاشات ناشی از جریان سیال و برداشت انرژی توسط آزمایش‌های انجام شده در تونل باد پرداخته شده است. پنج نوع برگ درخت شامل برگ انگور، برگ انجیر، افرا نقره‌ای، زالزالک و افرا نروژی به‌عنوان الگوهای اصلی انتخاب شده و هندسه دوبعدی آن‌ها به‌دقت استخراج و به مدل‌های فیزیکی قابل‌آزمایش تبدیل گردید. نمونه‌ها به یک تیر انعطاف‌پذیر در داخل تونل باد متصل شده و با استفاده از نوار پیزوالکتریک، سیگنال‌های الکتریکی حاصل از ارتعاشات ثبت شدند. به‌طور هم‌زمان، یک دوربین با نرخ بالا برای اندازه‌گیری دقیق جابجایی عرضی هر مدل در طول آزمایش به‌کار گرفته شد. نتایج نشان داد که مدل برگ انجیر با تولید بیشترین دامنه ارتعاشات و حفظ پایداری فرکانس، بالاترین توان برداشت‌شده را نیز ارائه می‌دهد. برگ انگور در رتبه دوم قرار گرفت و ترکیبی از پاسخ ارتعاشی قوی و تولید انرژی قابل‌قبول از خود نشان داد. مدل افرا نقره‌ای اگرچه در سرعت‌های پایین عملکرد محدودی داشت، اما در سرعت‌های بالاتر بازده مناسبی داشت. در مقابل، مدل‌های زالزالک و افرا نروژی با دامنه ارتعاش کمتر، سطح فرکانس پایین‌تر و توان برداشت‌شده کمتر، در رتبه‌های پایین‌تر قرار گرفتند. این نتایج به‌روشنی بیانگر آن است که هندسه برگ نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت و بازده برداشت انرژی از ارتعاشات دارد.

experimental analysis of flow-induced vibrations and energy harvesting in a wind tunnel using tree leaf-inspired geometries

this research explores the potential of biomimetic geometries derived from natural leaf shapes to study flow-induced vibrations (fiv) and energy harvesting through experiments in a wind tunnel. five real tree leaves (grape، fig، silver maple، hawthorn، and norway maple) were selected، their 2d profiles extracted، and converted into physical test models. each model was mounted on a flexible beam inside a wind tunnel and equipped with piezoelectric strips to measure electrical signals generated from oscillations. simultaneously، a high-speed camera tracked the transverse displacement of each model throughout the test. among all cases، the fig leaf geometry exhibited the highest vibration amplitude and frequency stability، resulting in the maximum harvested power. the grape leaf followed in performance، combining strong vibration responses with reasonable energy output. although the silver maple showed limited response at lower wind speeds، it performed efficiently at higher speeds. in contrast، the hawthorn and norway maple models produced smaller vibrations and lower frequencies، resulting in lower harvested power. these findings clearly demonstrate the crucial role of geometry in optimizing vibration-based energy harvesting performance.