برداشت انرژي با استفاده از تير بايمورف متخلخل با لايه پيزوالكتريك تحت ارتعاشات القايي ناشي از جريان سيال خارجي

Piezoelectric Energy Harvesting Using a Porous Beam Under Fluid-Induced Vibrations

در اين تحقيق به مطالعه برداشت انرژي توسط تيرهاي متخلخل واقع در معرض جريان سيال خارجي پرداخته مي‌شود. معادلات ديفرانسيل غيرخطي الكترومكانيكي كوپل حاكم بر رفتار ارتعاشات عرضي تير متخلخل واقع در معرض جريان سيال خارجي با استفاده از تئوري تير اويلر-برنولي استخراج شده است. تير متخلخل يكسرگيردار با جرم متمركز در انتهاي آن كه مجهز به يك لايه پيزوالكتريك در سطح بالايي خود است، به عنوان برداشت كننده انرژي در نظر گرفته شده و بعد از حل عددي معادلات غيرخطي حاكم به بررسي تأثير پارامترهاي مختلف بر انرژي توليد شده پرداخته مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد كه در ناحيه قفل‌شدگي ميزان برداشت انرژي حداكثر مقدار دارد. همچنين، توزيع تخلخل تأثير قابل ملاحظه‌اي بر حداكثر دامنه نوسانات و همچنين انرژي برداشت شده توسط تير متخلخل دارد و ناحيه قفل‌شدگي براي تير با توزيع تخلخل متقارن، توزيع تخلخل نامتقارن و توزيع تخلخل يكنواخت در محدود سرعت مي‌باشد. علاوه بر اين، به ازاي مقاومت الكتريكي kΩ 1000، حداكثر ولتاژ توليد شده براي تير با توزيع تخلخل متقارن به صورت سخت‌شوندگي در جداره، توزيع تخلخل نامتقارن و توزيع تخلخل يكنواخت به ترتيب برابر با V 0/39، V 0/44 و V 0/57 مي‌باشد كه نشان دهنده بيشترين قابليت برداشت انرژي مربوط به تير با توزيع تخلخل نوع سوم مي‌باشد.

In this paper, the energy harvesting by porous beams exposed to the external fluid flow is studied. The electromechanical nonlinear differential equations of the transverse vibration behavior of porous beams exposed to external fluid flow are derived using the Euler-Bernoulli beam theory. A porous beam with concentrated mass which is equipped with a piezoelectric layer at its upper surface is considered energy harvesting. After numerically solving the governing nonlinear equations, the effect of different parameters on the generated energy is investigated. The results show that in the lock-in area, the maximum amount of energy is taken. Also, the porosity distribution has a significant effect on the maximum amplitude of the oscillations as well as the energy harvesting by the porous beam. In addition, for electrical resistance of 1000 kΩ, the maximum voltage generated for the beam with symmetrical porosity distribution in the form of wall stiffness, asymmetric porosity distribution, and uniform porosity distribution is equal to 0.39 V, 0.44 V, and 57 V, respectively, which indicates the highest energy harvesting capability of the beam with the porosity distribution of the third type.