برداشت انرژی از مکانیزم هیدروفویل نوسانی نیمه‌فعال با حرکت پیچ ورودی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشکدگان علوم و فناوری‌های میان رشته‌ای، دانشگاه تهران

چکیده

در این تحقیق، مکانیزم نیمه‌فعالی برای برداشت انرژی از جریان آب، شبیه‌سازی و مطالعه شده است. سامانه شامل هیدروفویلی با حرکت پیچ فعال به همراه حرکت نوسانی غیرفعال بالا-پایین است که از طریق یک بازو به مولد برق متصل می‌شود. با اعمال حرکت پیچ به هیدروفویل، نیروهای هیدرودینامیکی ایجاد شده موجب نوسان بالا-پایین هیدروفویل می‌شوند که این حرکت از طریق بازو به مولد منتقل می‌شود. مدل‌سازی دینامیکی شامل مولد برق، هیدروفویل، کنترل‌کننده و عملگر با شبیه‌سازی جریان آب پیرامون هیدروفویل نوسانی انجام است. برای شبیه‌سازی میدان سیال، از معادلات متوسط‌گیری شده رینولدز و الگوی آشفتگی کی-امگا استفاده شد. نسبت فرکانس طبیعی عملگر به مکانیزم، نسبت میرایی عملگر به مکانیزم، زاویه حمله هیدروفویل و زاویه بازو به عنوان متغیرهای بی‌بعد و اثرگذار مسئله استخراج و مقادیر بهینه آنها به ترتیب برابر ۵/۶، ۹/۰، ۴۵ درجه و ۳۰ درجه به‌دست آمد. همچنین توان خروجی برابر 770 وات استحصال شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Energy Harvesting from a Flapping Hydrofoil with Prescribed Pitch Profile

نویسندگان [English]

  • Abbas Ebrahimi 1
  • Majid Hajipour 2
  • Mohsen Salehi 1
1 1Aerospace Engineering Department, Sharif University of Technology
2 College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran
چکیده [English]

This work investigates a semi-active mechanism for harvesting energy from water flow using a flapping hydrofoil with a prescribed pitch profile and passively induced heave motion. The hydrofoil is connected via a hinged arm to an electrical generator, constraining the foil’s vertical motion to an arc centered at the generator (Fig. 1). A pitch profile is imposed by an actuator and controller, while the hydrodynamic forces generate the plunging response; the arm transmits torque to the generator. A coupled multiphysics model is developed that integrates (i) the dynamics of the power take-off, actuator, and controller (Eqs. (1)–(7)), and (ii) unsteady two-dimensional Reynolds-Averaged Navier–Stokes simulations with the k–ω SST model for the surrounding flow (Eq. (10)). The coupling is performed in Fluent using user-defined functions with sliding meshes that represent the arm and pitching block (Figs. 3–6). To validate the model, we compare its predictions against oscillating NACA0012 data and a published flapping-hydrofoil harvester case (Figs. 7–10). We employ a greedy search (Eq. (14)) to identify the dominant non-dimensional parameters the dominant non-dimensional parameters and their optima: the natural frequency and damping ratios (actuator-to-generator), the target effective angle of attack, and the critical arm angle. Under the tested conditions (Table 1), the optimized configuration delivers a net electrical power of 770 W, with dominant contributions near the reversals of the heave motion (Fig. 15).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy harvesting
  • flapping foils
  • numerical simulation