Assessment of flow energy harvesting in a duct by means of CFD numerical simulations
Διερεύνηση επιδόσεων διάταξης συγκομιδής ενέργειας από ροή ρευστού εντός αγωγού μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων CFD
Διπλωματική εργασία
Author
Benetatos, Marios-Vasileios
Date
2023-03-14Advisor
Κουμπογιάννης, ΔημήτριοςKeywords
Computational Fluid Dynamics (CFD) ; Navier Stokes equation (NS) ; Reynolds Aver- age Navier Stokes (RANS) ; k-epsilon turbulence model ; Wireless Sensor Networks (WSN) ; Piezoelectric Energy Harvesting (PEH) ; Von-Karman vortex street ; Vortex-Induced Vibrations (VIV) ; Micro energy harvesting ; Flow past bluff bodies ; Electrical energyAbstract
Micro-energy harvesting devices are small-scale devices that convert ambient energy from the
environment, such as light, heat, or mechanical vibrations, into electrical energy that can be used
to power small electronic devices. These devices have gained increasing attention in recent years
due to their potential to power autonomous microsystems, such as wireless sensors and implantable
medical devices, without the need for external power sources or batteries.
Micro-energy harvesting devices typically consist of a transducer that converts the ambient
energy into electrical energy, a power management circuit that regulates and stores the electrical
energy, and an output circuit that delivers the energy to the load. Various types of transducers
have been developed, including photovoltaic cells, thermoelectric generators, and piezoelectric
generators, each of which has its own advantages and limitations.
The design and optimization of micro-energy harvesting devices involve many challenges,
such as maximizing the energy conversion efficiency, minimizing the power losses, and ensur-
ing the compatibility between the transducer and the load. Nonetheless, micro-energy harvesting
devices offer a promising solution for powering low-power electronics in a sustainable and self-
sufficient manner, and their development is expected to have a significant impact on a wide range
of applications in the future.
A miniature device, harvesting energy from the flow in a micro-channel that has been proposed
and experimentally studied in the literature, is numerically studied herein. The device consists of
two bluff bodies installed in the flow and a flexible diaphragm at the channel upper wall, above
the bodies. Vortex shedding behind the bodies induces pressure fluctuation and causes vibration of
the diaphragm; the latter is connected to a piezoelectric membrane converting mechanical energy
to electrical. Although the device is easy to fabricate and install, its power output is low, justifying
further research. This device has been numerically studied in the past in [21], where various bluff
body shapes and configurations had been considered for a fixed inlet Reynolds number and con-
clusions were drawn concerning the more effective configuration with respect to body geometry
and diaphragm position. The above study is continued herein by further testing the CFD model for
various grid sizes and assessing the device performance for various flow Reynolds numbers, and
various blockage ratios. Additionally, the vortex shedding suppression in the device is studied,
and the results are compared with the bibliography outcomes for the same device.
Abstract
Οι συσκευές συγκομιδής ενέργειας μικρής κλίμακας (miniature devices), χρησιμοποιούν και
μετατρέπουν την ενέργεια που υπάρχει ελεύθερη στο περιβάλλον -προερχομένη από πήγες όπως
το φως η θερμότητα, οι μηχανικές δονήσεις κ.α.- σε ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να χρησιμο-
ποιηθεί για παροχή ισχύος σε αισθητήρες και ηλεκτρικές μίκροσυσκευές. Έχουν προσελκύσει το
ενδιαφέρον των ερευνητών από τις αρχές του 21ου αιώνα, λόγω του δυναμικού τους να τροφο-
δοτούν αυτόνομα και ασύρματα δίκτυα αισθητήρων για πληθώρα βιομηχανικών εφαρμογών και
προσφέρουν την δυνατότητα παρακολούθησης πολύπλοκων συστημάτων, ειδικά σε μέρη όπου η
ανθρώπινη πρόσβαση είναι δυσχερής.
Οι συσκευές αυτές αποτελούνται συνήθως από έναν μετατροπέα, ο οποίος μετατρέπει την
ενέργεια που αντλείται από το περιβάλλον σε ηλεκτρική ενέργεια. Επιπροσθέτως, είναι εφοδια-
σμένες με ειδικά ηλεκτρικά κυκλώματα διαχείρισης ισχύος, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη δια-
νομή της ηλεκτρικής ενέργειας στον εκάστοτε καταναλωτή. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί
διάφοροι τύποι μετατροπέων, όπως για παράδειγμα τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, οι θερμοηλεκτρι-
κές και πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες κ.α. Είναι σαφές ότι ο εκάστοτε από τους προαναφερθέντες
τύπους παρουσιάζει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Είναι προφανές ότι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των συσκευών συγκομιδής ενέργειας
μικρής κλίμακας, συνεπάγεται πολλές προκλήσεις, όπως ο στόχος για μεγιστοποίηση της από-
δοσης, η ελαχιστοποίηση των απωλειών ισχύος, η κατάλληλη εγκατάσταση τους ανάλογα με το
περιβάλλον και τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής κ.α. Παρόλα αυτά, η ανάπτυξη και ο βέλτι-
στος σχεδιασμός αυτών των συστημάτων προσφέρουν μια ελπιδοφόρα λύση για την τροφοδότηση
συσκευών χαμηλών ενεργειακών απαιτήσεων, με αυτόνομο τρόπο.
Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται με αριθμητικές προσομοιώσεις μια συσκευή
συγκομιδής ενέργειας, η οποία έχει προταθεί και έχει μελετηθεί πειραματικά στη βιβλιογραφία
[26]. Αυτή αποτελείται από δυο τριγωνικά σώματα (bluff bodies), τοποθετημένα σε ένα κανάλι
ροής αέρα, και ένα εύκαμπτο διάφραγμα, το οποίο είναι τοποθετημένο στον πάνω τοίχο του κα-
ναλιού. Η ροή του αέρα μέσα στο κανάλι δημιουργεί πίσω από τα σώματα έναν δρόμο δινών που
με τη σειρά του δημιουργεί μηχανικές ταλαντώσεις / δονήσεις στο εύκαμπτο διάφραγμα. Το διά-
φραγμα αυτό είναι κατάλληλα συνδεδεμένο με μια πιεζοηλεκτρική μεμβράνη, η οποία μετατρέπει
τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Παρόλο που η κατα-
σκευή και η τοποθέτηση της συγκεκριμένης συσκευής είναι εύκολη, η αποδιδόμενη τελική ισχύς
που προσφέρει είναι αρκετά χαμηλή, γεγονός που δικαιολογεί την περαιτέρω ερεύνα. Η ίδια συ-
σκευή είχε μελετηθεί στο παρελθόν από τον Επιβλέποντα της παρούσας διπλωματικής εργασίας
[21], όπου και έγινε διερεύνηση για να βρεθεί το βέλτιστο σχήμα και η διάταξη των μη αεροδυνα-
μικών σωμάτων, καταλήγοντας σε δυο σωματα τριγωνικής διατομής. Σε συνέχεια της παραπάνω
μελέτης, στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται περαιτέρω ένα δισδιάστατο μοντέλο CFD, που βα-
σίζεται σε εμπορικό λογισμικό. Αυτό δοκιμάσζεται ως πρός την ανεξαρτησία πλέγματος και την
επιλογή του χρονικού βήματος. Στη συνέχεια, με χρήση του μοντέλου CFD, όπως διαμορφώνε-
ται πραγματοποιείται μια παραμετρική μελέτη στο μοντέλο προσομοίωσης, για την αξιολόγηση
των επιδόσεων της συσκευής. Ως παράμετροι επιλέγονται ο αριθμός Reynolds (διαφορετική τα-
χύτητα εισόδου του ρευστού στον αγωγό) και τα διαφορετικά μεγέθη τριγώνου σε αναλογία με
το ύψος του αγωγού (blockage ratio). Τέλος μελετάται το φαινόμενο της καταστολής δινών στον
αγωγό ως συνέπεια αύξησης του blockage ratio και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχα
αποτελέσματα της βιβλιογραφίας.