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Performance enhancement of piezoelectric energy harvesters based on flow-induced vibration via bio-inspired design

压电 振动 声学 物理 能量收集 圆柱 性能增强 动能 电压 虚张声势 平方(代数) 能量(信号处理) 均方根 机械 涡激振动 机械能 绩效改进 电势能 机械工程 能量转换 固有频率 风洞 旋涡脱落 风力发电 湍流动能 优化设计 空气动力学 联合收割机 计算机模拟 仿生学
作者
Dong Zhang,Xiaoyu Zhang,Peilun Yin,Cuipeng Xia,Panlong Tan
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (8) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0277055
摘要

To improve the performance of the piezoelectric energy harvester using the traditional square bluff body, this paper introduces a novel biomimetic fish-tail design to capture ambient fluid kinetic energy. This design demonstrates a natural advantage in the formation and shedding of vortices, which is conducive to energy transfer and flow-induced vibration, thereby leading to outstanding performance. A coupled system model was established, and a numerical research method was proposed and validated. Numerical experiments were conducted to investigate the flow-induced vibration and electrical responses of energy harvesters employing fish-tail bluff bodies with varying afterbody inclination angles, alongside a square bluff body configuration. The results indicate that the biomimetic energy harvester with a 20° afterbody inclination angle shows the best performance. The maximum root mean square voltage generated by the energy harvester equipped with the fish-tail cylinder reaches approximately 79.6 V, significantly surpassing the output for the square cylinder (around 33.7 V) within the examined wind speed range. Furthermore, the biomimetic configuration exhibits a remarkable enhancement in output power, with an average increase in 482% and a peak increase in 742% compared to the traditional design. This study provides new insight into designing efficient piezoelectric energy harvesters based on the principles of biomimicry.

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