Um dispositivo piezoelétrico com rigidez ortotrópica para colheita de energia a partir de vibrações induzidas por vórtices.

• Main Author: Madi, Letícia Siqueira
• Publication Date: 2024
• Format: Doctoral thesis
• Language: por
• Source: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Download full: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-02092024-132659/
• topic: Energy harvesting; Experimental VIV; Fluid-structure interaction; Hidrodinâmica; Hilbert-Huang analysis; Interação fluido-estrutura; Piezoelectricity; Piezoeletricidade; Vortex-induced vibration; Vórtices dos fluidos

As vibrações induzidas por vórtices (VIV), um fenômeno ressonante resultante das interações fluido-estrutura, têm sido exploradas para uma ampla gama de dispositivos em desenvolvimento no campo da coleta de energia de escoamentos. O caso particular de um cilindro flexível engastado-livre com uma barra interna, com maior rigidez na direção do fluxo em relação à transversal, é de interesse especial para aplicações de coleta de energia, pois uma ramificação atípica da resposta dinâmica é observada em altas velocidades reduzidas. Enquanto a dessincronização seria esperada, um ramo estável e de alta energia é observado, estendendo-se a altas velocidades de fluxo e exibindo um rico conteúdo de frequência na resposta multimodal. Neste cenário, o principal objetivo desta tese é projetar e testar um dispositivo de coleta de energia que explore as altas frequências de tal ramo. Este trabalho consiste em uma investigação experimental de cilindros engastados com rigidez ortotrópica instrumentados com componentes piezocerâmicos fixados na barra interna, sujeitos a VIV. Uma abrangente campanha experimental foi realizada no tanque de reboque do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT). Dois modelos, de mesmo diâmetro e comprimentos diferentes, foram desenvolvidos para investigar diferentes frequências e ramos de resposta do fenômeno de VIV. Foram realizados testes com ambos modelos em paralelo, usando duas metodologias: velocidades de reboque constantes até atingir um estado estacionário, e aceleração constante até atingir a velocidade máxima, seguida de desaceleração na mesma taxa. Velocidades reduzidas de até Ur1 = 20 foram atingidas, permitindo a observação de múltiplas frequências e ramos de resposta. Foram testadas, ainda, pequenas variações no ângulo entre a estrutura interna e a direção do fluxo. Os deslocamentos são obtidos por um sistema de rastreamento óptico e alvos reflexivos distribuídos ao longo do modelo. As forças de reação na extremidade engastada do modelo são medidas por um arranjo de células de carga. A voltagem elétrica de saída dos componentes piezoelétricos conectados também é adquirida. A decomposição modal usando o método Galerkin é empregada para análise de dados, juntamente com técnicas no domínio da frequência e tempo-frequência, como a Transformada Rápida de Fourier para as séries de velocidade constante e a Transformada de Hilbert-Huang para as séries constantemente aceleradas. As amplitudes de deslocamento obtidas por ambos os métodos mostram um claro comportamento histerético do sistema, conforme as respostas modais transitam entre o ramo inicial e o superior. Os resultados também mostram uma concordância qualitativa com experimentos anteriores, uma vez que o ramo de resposta de alta energia é claramente observado. A tensão elétrica dos circuitos atingiu valores acima de 40 V, enquanto a potência elétrica extraída nos experimentos é de alguns miliwatts.