پديد آورنده :
علي خاصي، مسعود
عنوان :
بررسي عددي و تجربي برداشت انرژي توسط يك نوسان ساز سيال با استفاده از وصله‌هاي پيزوالكتريك
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
پانزده، 101ص. : مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي، رضا تيكني
توصيفگر ها :
برداشت انرژي , وصله‌هاي پيزوالكتريك , نوسانساز سيال , نوسانات سيال , تشديد , برهم‌‌كنش سيال – سازه , كنترل فركانس نوسانات سيال
استاد داور :
احمدرضا پيشه ور، احمد سوهانكار
تاريخ ورود اطلاعات :
1398/04/26
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1398/05/01
چكيده فارسي :
چکیده امروزه توجه به انرژیهای محیطی و استفاده از آنها به عنوان منبع انرژی برای تجهیزات الکترونیکی با توان کم و بدون سیم پررنگ شدهاست روشهای مختلفی برای برداشت انرژیهای محیطی وجود دارد از جمله استفاده از وصلههای پیزوالکتریک که به خاطر سادگی و قابلیت انعطافپذیری زیاد به طور گسترده در مقیاس میکرو استفاده میشوند جریان سیال یکی از مهمترین و در دسترسترین منابع موجود برای برداشت انرژی است ولی تبدیل مؤثر انرژی جنبشی سیال به انرژی کرنشی سازه پیزوالکتریک همواره یکی از چالشهای پیشرو بوده است در این پژوهش برای حل این چالش از یک نوسانساز سیال جهت برداشت انرژی استفاده شدهاست نوسانسازهای سیال بدون هیچ جسم خارجی و متحرکی باعث ایجاد نوسانات پایدار در جریان سیال میشوند فعالیتهای انجام شده در این پژوهش به دو بخش تجربی و عددی تقسیم میشوند در وهله اول نمودار مشخصه نوسانساز که بیانگر رابطه بین سرعت جریان ورودی و فرکانس نوسانات سیال است بهصورت تجربی بهدست آمدهاست با توجه به نتایج نمودار مشخصه نوسانساز بهصورت خطی بوده و بنابراین در محدوده عدد رینولدز 99999 99998 عدد استروهال تقریبا ثابت و برابر با 98 9 است سپس با قرار دادن تیر پیزوالکتریک در موقعیتهای مختلف تأثیر پارامترهایی نظیر سرعت جریان ورودی و مکان قرارگیری تیر روی برداشت انرژی بررسی شدهاست با بررسی ولتاژ خروجی وصله پیزوالکتریک مشاهده شد که تیر پیزوالکتریک با ترکیبی از فرکانس طبیعی و فرکانس نوسانات سیال ارتعاش میکند و هنگامی که فرکانس نوسانات سیال با فرکانس طبیعی تیر پیزوالکتریک برابر شود تشدید رخ داده و انرژی برداشتی به بیشترین مقدار خود رسیده و پس از آن فرکانس کاهش مییابد در ادامه نیز تأثیر جرم افزوده سر تیر و مقاومت الکتریکی معادل بر روی توان الکتریکی خروجی بررسی شده است بیشینه چگالی توان الکتریکی مؤثر نرمال شده با سرعت جریان ورودی در عدد رینولدز 99979 برابر با 4 970 7 W s m و بازده برداشت انرژی در این حالت نیز برابر با 97 9 است توجه به این نکته ضروری است که هدف از برداشت انرژی در مقیاس میکرو استفاده از انرژی های هدر رفته در محیط اطراف است و نباید بازده آن را با روشهایی نظیر نیروگاههای حرارتی توربینهای بادی و مقایسه کرد در برخی از کابردهای کنترلی جریان نیاز است تا فرکانس نوسانات سیال درون نوسانساز ثابت بوده و از سرعت جریان ورودی مستقل باشد برای نیل به این هدف با قرار دادن تیرهای آلومینیومی با فرکانسهای طبیعی مختلف بهگونهای که سر آزاد آنها در داخل محفظه اصلی نوسانساز باشد فرکانس نوسانات سیال مستقل از سرعت ورودی شده و در محدوده مشخصی از سرعت ورودی فرکانس نوسانات سیال در محدوده فرکانس طبیعی تیر قرار میگیرد در ادامه توسط نرمافزار ANSYS CFX و با شبیهسازی عددی دو بعدی و گذرای جریان الگوی جریان درون نوسانساز و نمودار مشخصه نوسانساز بهدست آمد که در اعداد رینولدز کمتر از 99999 میانگین اختالف نسبت به دادههای تجربی در حدود 18 9 است سپس با شبیهسازی عددی سهبعدی و گذرای برهمکنش سیال سازه تیر پیزوالکتریک در خروجی نوسانساز شبیهسازی شده و رفتار نوسانی تیر و الگوی جریان در اطراف تیر بررسی شدهاست با بررسی جابجایی عمودی سر آزاد تیر مشاهده شد که مانند آزمایشهای تجربی تیر با ترکیبی از فرکانس طبیعی و فرکانس نوسانات سیال ارتعاش میکند و هرچه تیر در فاصله دورتری نسبت به خروجی نوسانساز قرار گیرد برهمکنش میان تیر و جت خروجی کاهش یافته و دامنه جابجایی تیر کمتر میشود در پایان نیز با شبیهسازی برهمکنش میان تیرهای آلومینیومی و سیال کنترل فرکانس نوسانات سیال در نوسانساز بررسی شدهاست و طبق نتایج نوسانات سیال مستقل از سرعت ورودی میشود و با افزایش طول تیر نوسانات فشار درون نوسانساز مستهلک میشوند کلمات کلیدی برداشت انرژی وصلههای پیزوالکتریک نوسانساز سیال نوسانات سیال تشدید برهمکنش سیال سازه کنترل فرکانس نوسانات سیال
چكيده انگليسي :
Numerical and Experimental Evaluation of Energy Harvesting by a Fluidic Oscillator Using Piezoelectric Patches Masoud Alikhassi alim 3731@gmail com Date of Submission 06 30 2019 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 Iran Degree M Sc Language FarsiSupervisors Mahdi Nili Ahmadabadi m nili@cc iut ac ir Reza Tikani r tikani@cc iut ac irAbstract Nowadays attention to environmental energies and using them as a source of energy for low power andwireless electronic equipment have been highlighted There are several ways to harvest environmental energies including use of piezoelectric patches which are widely used on a micro scale due to their simplicity and highflexibility The fluid flow is one of the most important and most widely available sources for energy harvesting Butthe effective conversion of the kinetic energy in a fluid into the strain energy of the piezoelectric structure has alwaysbeen one of the challenges ahead In this study a fluidic oscillator was used to solve this problem Fluidic oscillatorswithout any external and moving bodies cause fluctuations in fluid flow The activities carried out in this study aredivided into two experimental and numerical sections In the first step the oscillator characteristic curve whichshows the relation between the flow velocity and the frequency of fluid oscillations have been obtainedexperimentally According to the results the oscillator characteristic curve is linear so that Strouhal number is almostconstant and equal to 0 13 for the Reynolds number in the range of 10000 33000 Then by placing a piezoelectricbeam in different positions the effects of the parameters such as the inlet flow velocity and the position of the beamon the energy harvesting have been investigated By examining the output voltage of the piezoelectric patch it wasobserved that the piezoelectric beam vibrates with a combination of natural frequency and the frequency of fluidoscillations When the frequency of fluid oscillations is equal to the natural frequency of the piezoelectric beam theresonance occurs and harvesting energy reaches its maximum and then decreases In the following the effect of theadded mass and the equivalent electrical resistance on the output electrical power is investigated The maximumeffective electrical power density which is normalized with the inlet flow velocity is equal to 379 7 W s m 4 at theReynolds number of 37000 and the energy harvesting efficiency is 0 73 It is important to note that the goal ofmicro scale energy harvesting is to use the wasted energies in the surrounding environment and its efficiency shouldnot be compared with the methods such as thermal power plants wind turbines and etc In some flow controlapplications it is necessary that the frequency of fluid oscillations within the oscillator be constant and independentof the inlet flow velocity To achieve this goal by placing aluminum beams with different natural frequencies insidethe main chamber the frequency of fluid oscillations are independent of the inlet velocity and for a specified rangeof inlet velocity it is within the natural frequency range of the beam Then through ANSYS CFX software and two dimensional and transient numerical simulation the flow pattern and the oscillator characteristic curve is obtained In the Reynolds numbers less than 33000 the average of deviations from the experimental data are about 3 18 Then by simulating a three dimensional and transient fluid structure interaction the piezoelectric beam wassimulated in the oscillator output and the oscillatory behavior of the beam and the pattern of flow around the beamwas investigated By examining the vertical displacement of the free end of beam it was observed that likeexperimental data the beam vibrates with a combination of natural frequency and the frequency of fluid oscillations As the beam becomes farther away from the oscillator output the interaction of the beam and output jet flowdecrea
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي، رضا تيكني
استاد داور :
احمدرضا پيشه ور، احمد سوهانكار
