一种新型水面波漂浮式压电能量采集：全耦合仿真
流体动力学
2023-06-22 v1
摘要
基于有限元法提出了一种全耦合流体-结构-压电模型，能够模拟存在自由表面流以及具有任意运动的轻量漂浮式采集器时的压电采集过程。采用Navier-Stokes方程与相场法描述自由表面波。利用线动量守恒方程结合应变-电荷形式的压电本构关系求得固体变形与电场强度。结果表明，在梁尖端附加质量相较于无附加质量状态使输出电压提升13.5%。另一研究因素为负载电阻对电压和输出功率的影响。生成的电压随负载电阻增大而增长，直至达到恒定值。然而，功率存在最优负载电阻，其为参考状态的2.61倍。梁的倾角对有效利用水波具有重要意义，因为在相对于竖直状态40度时使电压均方根（RMS）值提升了89.53%。将梁的厚度从1 mm改变为1.5 mm时，RMS电压呈现66%的显著上升。通过增加连接于浮式结构的悬臂梁长度，从而增大梁在水中的浸入深度，输出电压增长，使得长度为25 cm的梁相对于长度为15 cm的梁输出电压增加2.92倍。
引用
@article{arxiv.2306.11901,
title = {A novel floating piezoelectric energy harvesting from water waves: fully-coupled simulation},
author = {Erfan Rajabi Khorramdarreh and Mohammad Mostafa Mohammadi and Jafar Ghazanfarian},
journal= {arXiv preprint arXiv:2306.11901},
year = {2023}
}