مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
فصلنامه

تحلیل تجربی ارتعاشات ناشی از جریان و برداشت انرژی در تونل باد با هندسه‌های الهام‌گرفته‌شده از برگ درختان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

امیرحسین ربیعی 1
علی یوسفی 2
مصطفی اسماعیلی 3

1 دانشیار مهندسی مکانیک - دانشگاه صنعتی اراک

2 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

https://doi.org/10.66224/masm.4.4.684
چکیده
این پژوهش با هدف بهره‌گیری از فرم‌های طبیعی و الهام گرفته شده از برگ درختان، به بررسی ارتعاشات ناشی از جریان سیال و برداشت انرژی توسط آزمایش‌های انجام شده در تونل باد پرداخته شده است. پنج نوع برگ درخت شامل برگ انگور، برگ انجیر، افرا نقره‌ای، زالزالک و افرا نروژی به‌عنوان الگوهای اصلی انتخاب شده و هندسه دوبعدی آن‌ها به‌دقت استخراج و به مدل‌های فیزیکی قابل‌آزمایش تبدیل گردید. نمونه‌ها به یک تیر انعطاف‌پذیر در داخل تونل باد متصل شده و با استفاده از نوار پیزوالکتریک، سیگنال‌های الکتریکی حاصل از ارتعاشات ثبت شدند. به‌طور هم‌زمان، یک دوربین با نرخ بالا برای اندازه‌گیری دقیق جابجایی عرضی هر مدل در طول آزمایش به‌کار گرفته شد. نتایج نشان داد که مدل برگ انجیر با تولید بیشترین دامنه ارتعاشات و حفظ پایداری فرکانس، بالاترین توان برداشت‌شده را نیز ارائه می‌دهد. برگ انگور در رتبه دوم قرار گرفت و ترکیبی از پاسخ ارتعاشی قوی و تولید انرژی قابل‌قبول از خود نشان داد. مدل افرا نقره‌ای اگرچه در سرعت‌های پایین عملکرد محدودی داشت، اما در سرعت‌های بالاتر بازده مناسبی داشت. در مقابل، مدل‌های زالزالک و افرا نروژی با دامنه ارتعاش کمتر، سطح فرکانس پایین‌تر و توان برداشت‌شده کمتر، در رتبه‌های پایین‌تر قرار گرفتند. این نتایج به‌روشنی بیانگر آن است که هندسه برگ نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت و بازده برداشت انرژی از ارتعاشات دارد.

کلیدواژه‌ها

ارتعاشات ناشی از جریان
برداشت انرژی
زیست‌الهام‌شده
هندسه برگ‌مانند
پیزوالکتریک

عنوان مقاله English

Experimental Analysis of Flow-Induced Vibrations and Energy Harvesting in a Wind Tunnel Using Tree Leaf-Inspired Geometries

نویسندگان English

Amir Hossein Rabiee 1
Ali yousefi 2
Mostafa Esmaeili 3
1 School of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, 38181-41167, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Kharazmi University, Tehran, 15719-14911, Iran
چکیده English

This research explores the potential of biomimetic geometries derived from natural leaf shapes to study flow-induced vibrations (FIV) and energy harvesting through experiments in a wind tunnel. Five real tree leaves (grape, fig, silver maple, hawthorn, and Norway maple) were selected, their 2D profiles extracted, and converted into physical test models. Each model was mounted on a flexible beam inside a wind tunnel and equipped with piezoelectric strips to measure electrical signals generated from oscillations. Simultaneously, a high-speed camera tracked the transverse displacement of each model throughout the test. Among all cases, the fig leaf geometry exhibited the highest vibration amplitude and frequency stability, resulting in the maximum harvested power. The grape leaf followed in performance, combining strong vibration responses with reasonable energy output. Although the silver maple showed limited response at lower wind speeds, it performed efficiently at higher speeds. In contrast, the hawthorn and Norway maple models produced smaller vibrations and lower frequencies, resulting in lower harvested power. These findings clearly demonstrate the crucial role of geometry in optimizing vibration-based energy harvesting performance.

کلیدواژه‌ها English

Flow-induced vibration
Energy harvesting
Bio-inspired
Leaf-like geometry
Piezoelectric
[1] Rabiee A H, Farahani S D. Effect of synthetic jet on VIV and heat transfer behavior of heated sprung circular cylinder embedded in a channel. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2020; 119:104977.
[2] Esmaeili M, Rabiee A H. Heat transfer characteristics in turbulent FIV of three circular cylinders with different isosceles-triangle arrangements. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. 2023; 33:2455–2477.
[3] Esmaeili M, Fakhri Vayqan H, Rabiee A H. Impact of temperature-induced buoyancy on the 2DOF-VIV of a heated/cooled cylinder. Arabian Journal for Science and Engineering. 2025; 50:2807–2822.
[4] Rabiee A H, Rafieian F, Mosavi A. Active vibration control of tandem square cylinders for three different phenomena: Vortex-induced vibration, galloping, and wake-induced vibration. Alexandria Engineering Journal. 2022; 61:12019–12037.
[5] Esmaeili M, Fakhri Vayqan H, Rabiee A H. The role of flow angle in mixed convection and vortex-induced vibration of a thermally controlled elastic cylinder. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. 2025; 35:799–824.
[6] Rabiee A H. Regenerative semi-active vortex-induced vibration control of elastic circular cylinder considering the effects of capacitance value and control parameters. Journal of Mechanical Science and Technology. 2018; 32:5583–5595.
[7] Rabiee A H, Esmaeili M. Effect of the flow incidence angle on the VIV-based energy harvesting from triple oscillating cylinders. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2023; 57:103312.
[8] Najafpour A, Rajabi M, Esmaeili M, Rabiee A H. Comprehensive study of fluid-structure interaction in vortex-induced vibrations: Integration of experimental, computational and wake oscillator approaches. Journal of Theoretical and Applied Vibration and Acoustics. 2025; 11:1–21.
[9] Ray A R, Koley S. Performance of piezoelectric beam type energy harvester under flow-induced vibration. Scientific Reports. 2025; 15:13433.
[10] Wang J, Yurchenko D, Hu G, Zhao L, Tang L, Yang Y. Perspectives in flow-induced vibration energy harvesting. Applied Physics Letters. 2021; 119.
[11] Rabiee A H., Naderi A, Esmaeili M. Enhancing energy harvesting capability through analysis of flow-induced vibrations in double sprung circular cylinders exposed to turbulent flow: Influence of incidence angle. Ocean Engineering. 2024; 309:118598.
[12] Chatterjee R, Shah C L, Gupta S, Sarkar S. Energy harvesting in a flow-induced vibrating flapper with biomimetic gaits. International Journal of Mechanical Sciences. 2024; 272:109150.
[13] Rabiee A H, Farahani S D, Mosavi A. Thermal and vibratory response of sprung square cylinder with four nature-inspired fin-shaped bumps. Ain Shams Engineering Journal. 2023; 14:102010.
[14] Kang D, Kang Q, He Z, Li X, Chen J, Wang F, Zou Q. Flow-induced vibration and heat transfer characteristic of cylinder with a bio-inspired surface. Ocean Engineering. 2024; 303:117645.
[15] Gad-el-Hak I, Mureithi N. Mitigation of jet cross-flow induced vibrations using an innovative biomimetic nozzle design inspired by shark gill geometry. Scientific Reports. 2022; 12:11107.
[16] Omidvarnia F, Sarhadi A. Nature-inspired designs in wind energy: a review. Biomimetics. 2024; 9:90.
[17] Bakhtiar S, Khan F U, Fu H, Hajjaj A Z, Theodossiades S. Fluid flow-based vibration energy harvesters: A critical review of state-of-the-art technologies. Applied Sciences. 2024; 14:11452.
[18] Schindler D, Schönborn J, Fugmann H, Mayer H. Responses of an individual deciduous broadleaved tree to wind excitation. Agricultural and Forest Meteorology. 2013; 177:69–82.
[19] James K R, Haritos N, Ades P K. Mechanical stability of trees under dynamic loads. American Journal of Botany. 2006; 93:1522–1530.
[20] Hobbs W B, Hu D L. Tree-inspired piezoelectric energy harvesting. Journal of Fluids and Structures. 2012; 28:103–114.
[21] Kim S G, Priya S, Kanno I. Piezoelectric MEMS for energy harvesting. MRS Bulletin. 2012; 37:1039–1050.
[22] Park J C, Park J Y. Micromachined piezoelectric energy harvester with low vibration. Proceedings of the 2009 18th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (ISAF). 2009; 1–6.
مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
دوره 4، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 684-701

  • تاریخ دریافت 02 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 16 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 28 مرداد 1404

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

تماس با ما