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物理学 > 流体动力学

arXiv:2501.00993 (physics)
[提交于 2025年1月2日 ]

标题: 混合固液振动能量收集器的可行性研究:数值模拟与分析

标题: Feasibility Study of a Hybrid Solid Liquid Vibration Energy Harvester: Numerical Simulation & Analysis

Authors:Nadish Anand, Warren Jasper
摘要: 在本文中,我们引入并研究了混合固液振动能量收集器的可行性。 能量收集器由部分填充在罐中的铁磁流体和固定在罐壁上的压电梁组成。 假设罐体放置在一个由在罐壁外部对称放置的两个强磁铁产生的非均匀磁场中。 然后通过一个磁场函数来实现该磁场,该函数模拟由两个磁铁产生的磁场。 我们使用压电梁配置和振荡载荷来研究和表征这种二维多尺度、多物理场和多相流体结构相互作用。 罐体受到外部振荡运动的作用,这种运动使铁磁流体晃动,并利用两种模式使梁振荡,一种是由于梁的惯性,另一种是由于铁磁流体对梁的冲击。 变化的参数包括压电材料、铁磁流体填充高度、压电梁长度和振荡频率。 压电梁的自然频率模式非常重要,因为梁在这些模式下收集最高的功率。 我们观察到,当流体运动使梁振动时,在某些情况下,压电材料的电压输出达到很高的值,这表明材料在这些情况下的流体加载中接近共振频率。 然而,在其他情况下,电压输出随着负载的变化而变化,因此压电梁的响应是宽带的,非常类似于本身具有宽带特性的晃动。
摘要: In this paper, we have introduced and studied the feasibility of a hybrid solid liquid vibration energy harvester. The energy harvester consists of a ferrofluid partially filled in a tank and a piezoelectric beam fixed at one of the tank walls. The tank is assumed to be placed in a nonuniform magnetic field created by placing two powerful magnets symmetrically external to the tank walls. This magnetic field was then implemented by a Magnetic field function modeling the magnetic field produced by the two magnets. We used piezoelectric beam configurations and oscillation loads to study and characterize this 2D multiscale, multiphysics, and multiphase fluid structure interaction. The tank is subjected to an external oscillatory motion, which sloshes the ferrofluid and oscillates the beam utilizing two modes, one due to the beams inertia and the second due to the impact of the ferrofluid on the beam. The parameters varied in piezo materials, ferrofluid fill height, piezoelectric beam length, and oscillation frequency. The natural frequency modes for the piezoelectric beam are very important since the beam harvests the highest power in those modes. We have observed that when the fluid motion vibrates the beam, in some instances, the voltage output from piezoelectric material peaks to a high value, which is indicative of material nearing resonance frequencies at the fluid loading realized in those instances. However, in other cases, the voltage output varies with the loading, and hence, the response of the piezoelectric beam is broadband, very similar to the sloshing, which is inherently broadband.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn) ; 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2501.00993 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2501.00993v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00993
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Nadish Anand [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 1 月 2 日 01:08:45 UTC (2,029 KB)
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