Μοντελοποίηση Μηχανικού Συστήματος για την Εξόρυξη Υδραυλικής Ενέργειας από Ρευστοδυναμικά Επαγόμενες Ταλαντώσεις

Abstract

Στην εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό της ισχύος που παράγεται από τις ρευστοδυναμικά επαγόμενες ταλαντώσεις ενός λείου περιστρεφόμενου κυλίνδρου που υποβάλλεται στο ρευστοδυναμικό φαινόμενο Vortex Induced Vibration (VIV). Συνήθως, οι δομές που υπόκεινται στο Vortex Induced Vibration σχεδιάζονται με σκοπό να ελαχιστοποιείται η κόπωση που προκαλείται λόγω αυτού, με ανάπτυξη μοντέλων που προβλέπουν την απόκρισή τους. Πρόσφατα, προτάθηκε η ιδέα να ενισχυθούν οι ταλαντώσεις αυτές, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η συγκομιδή ενέργειας από το ρευστό. H συσκευή περιλαμβάνει έναν προσδεδεμένο κύλινδρο κυκλικής διατομής, ο οποίος μπορεί να εκτελεί γωνιακές ταλαντώσεις ανάλογα με την τοποθέτηση του στροφέα σε σχέση με το ελεύθερο ρεύμα ρευστού, το οποίο διατηρείται κάθετα. Συνεπώς, εξετάζονται δύο περιπτώσεις, όταν το σημείο περιστροφής είναι τοποθετημένο ανάντη του κυλίνδρου, κι όταν είναι τοποθετημένο κατάντη αυτού. Η μηχανική απόκριση του μηχανισμού αυτού, εξετάζεται μέσω ενός μη γραμμικού υδροδυναμικού μοντέλου. Το μοντέλο αυτό βασίζεται στην αποικοδόμηση της υδροδυναμικής δύναμης σε δύναμη λόγω αντίδρασης και δύναμη λόγω ανύψωσης και στο διαχωρισμό της δύναμης αντίδρασης σε οπισθέλκουσα και δύναμη λόγω προστιθέμενης μάζας, με βάση την εξίσωση Morison. Σε αυτό το σημείο έγκειται και η κύρια διαφοροποίηση με τα υπόλοιπα μαθηματικά μοντέλα. Η μοντελοποίηση αυτή, εισάγει στο πρόβλημα την επίδραση της προστιθέμενης μάζας στη δυναμική συμπεριφορά του κυλίνδρου και μη γραμμικότητες οι οποίες δε λαμβάνονται υπόψη στα υπόλοιπα μαθηματικά μοντέλα, διαφοροποιώντας κατά πολύ τη φυσική του προβλήματος. Πραγματοποιήθηκαν αρκετές προσομοιώσεις αριθμητικά, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση του μήκους μοχλοβραχίονα L* , του συντελεστή απόσβεσης  και του αδιάστατου λόγου μαζών m* στην απόκριση του πλάτους ταλάντωσης, ταχύτητας και στον ενεργειακό βαθμό απόδοσης του συστήματος. Τα αποτελέσματα από το παρόν μοντέλο, συγκρίνονται ικανοποιητικά με τα πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία.