CFD modeling and modal analysis for research of energy harvesters by wind loads

• Carlos Arturo Montes-Rodríguez ^[1] ; Miguel Herrera-Suárez ^[1]
  1. [1] Universidad Técnica de Manabí

     Universidad Técnica de Manabí

     Portoviejo, Ecuador

     
• Localización: Revista Facultad de Ingeniería: Universidad de Antioquia, ISSN-e 2422-2844, ISSN 0120-6230, Nº. 111, 2024, págs. 21-30
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Modelación CFD y análisis modal para investigación de cosechadoras de energía por cargas de viento
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  • español

    Este trabajo tiene como objetivo el acoplamiento de la dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis modal (FEM) para simular la cosecha de energía de cargas de viento para producir energía eléctrica por efecto piezoeléctrico. Para complementar dicho objetivo, se realizó la simulación mediante CFD-FEM con los complementos de SoSimulation models, CFD simulation, wind power, vibrationlidWorks® 2021, que partió de la generación del modelo virtual, definición del dominio computacional e imposición de cargas de vientos, condiciones de frontera, y discretización del modelo, mediante un mallado que comprendió un total de 84 709 nodos y 50 157 elementos cuadráticos de alto orden de 1 mm de tamaño y finalmente se realizó una calibración de malla. Los resultados mostraron que la sección cercana a la base de sujeción se concentran las mayores presiones, independientemente de la velocidad simulada (3 a 21 m/s). La velocidad máxima provoco una presión sobre la zona de impacto de 101 716 Pa, una presión relativa de 391.75 Pa y un esfuerzo cortante de 4.78 Pa. Las frecuencias naturales de vibración utilizando la salida CFD, oscilan de 69 a 99 Hz. La dirección de acción del viento se define como la dirección de colocación del piezoeléctrico, específicamente cerca de la base donde se obtiene la máxima salida de voltaje eficaz (6.79 V) que con una resistencia externa de 10 y 20 MΩ, produce una potencia eléctrica de 4.62 y 2.31 µW, respectivamente.

  • English

    This work aims at coupling computational fluid dynamics (CFD) and modal analysis (FEM) to simulate energy harvesting of wind loads to produce electrical energy by piezoelectric effect. To complement this objective, CFD-FEM simulation was performed by means of SolidWorks® 2021 add-ins, starting from the generation of the virtual model, computational domain definition, and imposition of wind loads, boundary conditions, and model discretization, by means of a mesh comprising a total of 84 709 nodes and 50 157 high order quadratic elements of 1 mm size and finally a mesh calibration was performed. The results showed that the section near the clamping base concentrated the highest pressures, regardless of the simulated velocity (3 to 21 m/s). The maximum velocity caused a pressure over the impact zone of 101 716 Pa, a relative pressure of 391.75 Pa, and shear stress of 4.78 Pa. The natural frequencies of vibration using the CFD output, range from 69 to 99 Hz. The direction of wind action is defined as the direction of piezoelectric placement, specifically near the base where the maximum effective voltage output (6.79 V) is obtained which, with an external resistance of 10 and 20 MΩ, produces an electrical power of 4.62 and 2.31 µW, respectively.