Energy harvesting z víry buzených vibrací

Abstract

Tokem indukované vibrace jsou v technické praxi velice známé díky svým destruktivním účinkům. Pokud je ovšem tato problematika dobře pochopena, lze ji využít k bezpečné výrobě elektrické energie. Tato práce se zaměřuje na studium zařízení, která dokázala tuto myšlenku uvést do praxe. Získané znalosti jsou poté použity při návrhu několika vlastních konstrukčních variant energy harvestoru, které fungují na principu tokem indukovaných vibrací. Na základě analýzy byly zvoleny dvě varianty, které byly dále realizovány a podrobeny testování. Jsou porovnávány podle velikosti elektrického výkonu, který byl experimentálně stanoven, dále podle účinnosti a také podle průběhu kmitání – zda se jedná o harmonický průběh kmitání. Bylo dosaženo maximálního výkonu 1,5 W a maximální celkové účinnosti 14 %. Pomocí CFD simulací jsou zkoumány vírové struktury, které vznikají za obtékaným tělesem. Toto těleso má podobu válce. Je proveden nestacionární 3D výpočet nepohyblivého válce, jež je obtékán kapalinou. Tato simulace pomáhá lépe porozumět jevům, které snižují výkon harvestoru. Jedná se například o postranní proudění na čele válce.

Flow induced vibrations are well known in engineering practice for their destructive effects. However, if this issue is well understood, it can be used to safely generate electricity. This work focuses on the study of devices that have successfully implemented this concept in practice. The knowledge gained is then used to design several custom energy harvester designs that operate on the principle of flow induced vibration. Based on the analysis, two variants were selected and further created and tested. They are compared according to the magnitude of the electrical output that has been experimentally determined. They are also compared in terms of efficiency and the harmonic behaviour of the vibrations. A maximum power output of 1.5 W and a maximum overall efficiency of 14 % were achieved. The vortex structures, that form behind the bluff body, are investigated by means of CFD simulations. This body takes the form of a cylinder. An unsteady 3D simulation of a stationary cylinder immersed in fluid flow is carried out. This simulation helps to better understand the phenomena that reduce the harvester's performance. This refers, for example, to tip flow at the cylinder’s end face.