Amplitude reduction through energy harvesting in vortex-induced vibrations

In this work, an identified electrical-mechanical model is implemented to describe complex behavior, such as upper and lower branches, and the piezoelectric coupling to harvest electric power in a 1DOF cylinder exposed to a transverse flow, presenting vortex induced vibration (VIV). A classical Van der Pol model was modified to represent the variations of Strouhal number and aerodynamic damping coefficient in order to represent the experimentally observed upper and lower branches. By comparing the numerical simulation with experiments presented in the literature the proposed model was validated. Then, the effects due to the electrical coupling were analyzed in terms of electrical power generation and the suppression of high amplitude oscillations. Results demonstrate the electrical coupling contributed to reduce the amplitude of oscillation. The results of this research can be helpful in order to design efficient energy harvesters based on VIV and can assist the development of strategies to suppress vibrations.

Palavras-chave

Aeroelasticidade Cilindros Dinâmica estrutural

Idioma

Inglês

Citação

In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN ENERGY HARVESTING TECHNOLOGY, 2021.

URI

http://hdl.handle.net/11449/235718

Financiadores

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Coleções

São João da Boa Vista - FESJBV - Faculdade de Engenharia, São João da Boa Vista

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PublicaçãoTrabalho de conclusão de curso

Acesso aberto

Modelo semi-empírico para representação de comportamentos complexos em vibrações induzidas por vórtice

(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-04-23)

Bastos, Sérvio Túlio Suenai Haramura

;

Vasconcellos, Rui Marcos Grombone de

;

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Vibrações induzidas pelo movimento de um fluído ao redor de estruturas são comuns e muitas vezes prejudiciais, tanto em termos financeiros, devido à necessidade de aplicação de materiais e estruturas mais resistentes, como também em termos ambientais, visto que falhas estruturais graves podem ocorrer mesmo em estruturas superdimensionadas. Particularmente, estruturas de formato cilíndrico são amplamente empregadas em engenharia, seja em trem de pouso em aeronaves, pilares de pontes, chaminés, linhas de transmissão ou especialmente na extração de petróleo em alto mar. Tubulações para extração de petróleo e gás em plataformas marítimas estão expostas a inúmeras condições de agitação da água do mar e principalmente, correntes marítimas intensas e contínuas. Tais tubulações, conhecidas no meio como risers, apresentam em certas condições de velocidade da corrente marítima, vibrações que podem atingir altas amplitudes, de maneira que danos graves podem ocorrer implicando em prejuízos materiais e principalmente ambientais, caso vazamento de petróleo ocorra. O entendimento do fenômeno aeroelástico que leva ao surgimento dessas vibrações têm sido alvo de grande interesse da comunidade científica nos últimos anos. Modelos matemáticos baseados em dinâmica dos fluidos computacional continuam sendo desafiadores, mesmo com o desenvolvimento computacional das últimas décadas. Modelos de ordem reduzida tornam se, portanto, importantes tanto para o entendimento quanto para o desenvolvimento de técnicas de controle dessas vibrações. Nesta pesquisa, propõe se a implementação de um modelo de ordem reduzida de um cilindro com um grau de liberdade, perpendicular à velocidade do escoamento, para os casos nos quais há uma baixa massa amortecimento para a descrição de comportamentos complexos do fenômeno das vibrações induzidas por vórtice (VIV). De tal forma que se possa descrever o upper e o lower branches de maneira mais efetiva, seja em termos de região de lock in ou em termos da amplitude de oscilação. Tal melhoria será realizada a partir da análise e identificação de possíveis funções para variação de alguns parâmetros como o número de Strouhal, o coeficiente de massa adicional e o coeficiente de arrasto. A validação de tal modelo foi realizada através de comparações com resultados experimentais na literatura de forma que se obteve boa conformidade entre ambos.

PublicaçãoArtigo

Acesso aberto

Vortex induced vibration in a single degree of freedom cylinder with structural nonlinearities

(ABCM, 2019-10-25)

Bastos, Sérvio Túlio Suenai Haramura

;

Vasconcellos, Rui Marcos Grombone de

;

Marques, Flávio Donizeti

In this research project, it is proposed the investigation of the effects of hardening structural nonlinearity in a single degree of freedom cylinder exposed to a transverse flow, presenting the vortex induced vibration effect. To check the validity of the implemented phenomenological model, numerical simulations have been performed and the results have been compared with experiments. Simulations showed that the presence of this type of nonlinearity extends the lock-in region by changing the structural natural frequency as the amplitude of oscillations increases with the freestream speed and the vortex shedding frequency. Besides, other parameters, such as the mass and the diameter of the cylinder, affect the synchronization region. A wind tunnel test validated of the obtained simulated results. The contributions of this research can be helpful in order to prevent vortex induced vibrations in realistic nonlinear structures.

Unidades

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São João da Boa Vista, Faculdade de Engenharia de São João - FESJ

FESJ

Campus: São João da Boa Vista

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