Vortex-induced swing (VIS) motion for energy harvesters and flowmeters

涡激振动 涡流 机械 摇摆 旋涡脱落 振幅 物理 振动 声学 转速 能量(信号处理) 能量收集 流量(数学) 流速 工作(物理) 经典力学 湍流 光学 热力学 雷诺数 量子力学
作者
Ying Gong,Xiaobiao Shan,Hong Hu,Tao Xie,Zhengbao Yang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:117 (15) 被引量:16
标识
DOI:10.1063/5.0011899
摘要

Vortex-induced vibration (VIV) has been widely studied in the fields of vibration control, building construction, and underwater vehicles. Recently, researchers began utilizing the VIV phenomenon for flow energy harvesting. Here, we describe that vortex shedding causes periodic rotational motions and explore these vortex-induced swing (VIS) motions for harvesting flow energy and measuring flow speed. An arc-bluff structure was constructed to enlarge the VIS motions, and a phenomenological model was developed using the Van der Pol equation. Swing characteristics when flow velocities were in the range of (0.15, 0.45) m/s were assessed. Experiments showed that the maximum swing amplitude of the device is 120°, and it converges to 80° as the water velocity increases. The frequency, amplitude, and initial angle curve of the VIS device can be used to represent the water speed vector. The proposed flowmeter showed a flow rate sensitivity of 7∼10 Hz/(m·s−1) in the experimental range. Energy harvester prototypes demonstrated a peak-peak output of 3.28 V in water with a velocity of 0.45 m/s. The present work provides an approach for the flow measurement and energy harvesting under low-speed and low-frequency conditions.

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