Experimental Study of Tripping Rods Effects on Enhancement of Efficiency of a Vortex-Induced Vibration Based Energy Harvesting System

• Material Type: 博士論文
• Title: Experimental Study of Tripping Rods Effects on Enhancement of Efficiency of a Vortex-Induced Vibration Based Energy Harvesting System
• Author/Editor: Quadrante, Luis Antonio Rodrigues
• Author Heading: Quadrante, Luis Antonio Rodrigues
• Publication Date: 2013-12-31
• Publication Date (W3CDTF): 2013-12-31
• Alternative Title: トリッピングロッドが渦励振発電システムの効率向上に与える影響に関する実験的研究
• Degree grantor/type: 横浜国立大学
• Date Granted: 2013-12-31
• Date Granted (W3CDTF): 2013-12-31
• Dissertation Number: 甲第1586号
• Degree Type: 博士(工学)
• Conferring No. (Dissertation): 甲第1586号
• Text Language Code: eng
• NDLC: UT51
• Target Audience: 一般
• Note (General): This doctoral thesis show an experimental study about the enhancement of energy conversion efficiency of a vortex-induced vibrations (VIV) based energy generation system. Firstly, there is a discussion about the recent scenario of energy demand on the world and the necessity of development of renewable energy generation systems in order to reduce the CO2 emissions from the use of fossil fuels and also reduce the dependency of this kind of fuel because it is a limited source of power. The generation system used in this study is constituted by a cylinder, which oscillates when submitted to a constant fluid flow, and a leverage system, responsible to transmit the translational motion of the cylinder to the translational motion of a magnetic bar inside a coil, generating electricity. This generation system was already tested previously to this work and achieved a maximum conversion efficiency of 4.5%. To enhance the system efficiency a pair of tripping rods were attached to the cylinder symmetrically positioned in relation to the stagnation point. Tripping rods also are cylinder, but with much small diameters than the main cylinder. Their attachment changes the flow pattern around the cylinder and can produce since reduction to increase of hydrodynamic forces and amplitude of VIV, according to their angular positions. The experiments were divided in three cases, starting from the simplest case and adding complexity. The first experiments consisted of a stationary cylinder submitted to a constant flow and was carried out to measure the drag and lift forces acting on the cylinder in function oftripping rods angular position, which varied from 15o to 165o, with a 7.5o interval. The second set of experiments was conducted with a free-oscillating cylinder without energy generation system. This system had small mass and damping ratios, 6.13 and 0.016 respectively. Tripping rods were positioned at 60o, 75o, 105o and 120o in order to observe the changes on VIV amplitude imposed by their presence. The third and last set of experiments consisted of free-oscillating cylinder with the generating system attached. This experimental setup had larger mass and damping ratios due de inclusion of the generating system, achieving a mass ratio of 12.34 and an average damping ratio of 0.048. The stationary cylinder experiments were carried out at constant Reynolds number of 7.48×103. It was observed during these experiments that when placing tripping rods at angular positions ranging from 22.5o to 52.5o and from 97.5o to 165o a reduction of the forces acting on the cylinder occurred, achieving a maximum reduction of 67% on lift and 20% on drag forces. An increase on lift and drag forces was observed when placing tripping rods between 52.5o and 90o, achieving a maximum increase of 68% on lift and 40% on drag forces. On free-oscillating tests without generator, Reynolds number varied from 3.45×103 to 2.04×104 and the reduced velocity from 2 to 12. When tripping rods were positioned at 60o and 75o significant changes occurred, with an monotonically increase of oscillation amplitudes, starting at reduced velocity 7 and continuing until 12, with a maximum amplitude 56% larger than the obtained with the smooth cylinder. When tripping rods were placed behind the cylinder, at 105o and 120o, the opposite occurred, and the amplitudes were reduced significantly, achieving an almost complete VIV suppression at 120o. Finally, the free-oscillating experiments with the generator showed that even with larger mass and damping ratios the presence of tripping rods can bring lots of benefits for energy generation using VIV, especially when they were placed at 75o. The system efficiency during smooth cylinder tests achieved a maximum of 2.8%, while the efficiency with tripping rods at 75o achieved a maximum of 12.47%, representing a 342% increase. But the increase on efficiency was not the only benefit brought by tripping rods. Their presence also increased the lock-in range and maintained the power generation almost constant at reduced velocities between 6.5 and 8.5, meaning that the system can maintain the generation even with flow speed variations inside this range. The results showed up that the attachment of tripping rods have a great potential on the improvement of energy harvesting using VIV phenomena. This research covered only a small number of combinations of mass ratio, damping ratio, Reynolds number and diameter of tripping rods in relation to the diameter the main cylinder. It means that further research can be made as an extension of the current work, opening the opportunity for other researchers to investigate manners of increase even more the efficiency of energy conversion.; この博士論文は、渦励振を利用した発電システムのエネルギー変換効率を向上させるための実験的研究について記したものである。最初に、世界におけるエネルギー需要に関する最近の動向、および再生可能エネルギー技術を開発することの必要性について述べる。この必要性は、化石燃料消費に伴う二酸化炭素排出量の削減のため、および、賦存量が限られている資源への依存性を削減するためという目的に起因している。 本研究で用いる発電システムは一本の円柱を有する。この円柱は流れの中に置かれた時に振動する。また、本システムはてこ機構を含み、この機構は円柱の並進運動を、コイル内部における磁石の並進運動に伝達させる役割をもつ。この磁石の運動により電力を発生させる。この発電システムを用いた発電試験は過去に行われており、その際のエネルギー変換効率は最大で4.5％であった。 発電効率を向上させるために本研究では、小直径の円柱（トリッピングロッド）を２つ、前方よどみ点に関して対称に円柱表面に付加することを試みた。この付加により円柱表面付近における流れを変化させ、円柱に作用する流体力、渦励振の振幅を増大させる効果を期待できる。円柱中心と前方よどみ点とを結ぶ線分と、円柱中心とトリッピングロッド取り付け位置とを結ぶ線分とがなす角度（以下、取り付け角度）によって、この効果に大小が変化することが予想された。 三種類の実験を実施した。一つ目は、円柱を固定した状態で支持し、一定流速の流れの中に置き、円柱に作用する抗力と揚力の計測である。取り付け角度は15度から165度まで7.5度刻みで変化させた。レイノルズ数は7.48×103である。 二つ目は、円柱をばね支持し、発電機を外した状態での計測である。質量比は6.13、減衰比は0.016である。取り付け角度は60度、75度、105度、120度の4か所とした。レイノルズ数は3.45×103 から2.04×104までの領域であり、この領域は換算流速2から12までの領域に相当する。 三つ目は、円柱をばね支持し、発電機を付けた状態での計測である。質量比は12.34、減衰比は0.048である。 一つ目の固定円柱試験の結果、取り付け角度が22.5o から 52.5oまでの領域および97.5o から165oまでの領域のとき、流体力が低下することが示された。トリッピングロッドの付加なしの場合に比べて揚力は最大で67％、抗力は最大で20％低下した。取り付け角度が52.5o から 90oまでの領域のとき、揚力、抗力ともに増加し、トリッピングロッドの付加なしの場合に比べて揚力は最大で68%、抗力は最大で40％増加した。 二つ目の振動円柱試験（発電機なし）では、取り付け角度が60度および75度のとき、顕著な効果が検出された。換算流速が7以上になると振動振幅が単調に増加し、この傾向は換算流速12まで続いた。トリッピングロッドなしの場合に比べて振幅が最大で56％増加した。一方で、トリッピングロッドを円柱後方に付加（取り付け角度105度、120度）したときは、振幅は大幅に減少し、120度の場合では振動はほぼ完全に消失した。三つ目の振動円柱試験（発電機あり）では、質量比と減衰比が比較的に大きいにもかかわらず、トリッピングロッドの付加は、エネルギー変換効率の向上をもたらすことが示された。このことは取り付け角度が75度の場合に特に顕著であった。付加なしの場合では、変換効率は2.8％に過ぎなかったのに対して、付加ありの場合では最大で12.47%（3.42倍に相当）にまで高まった。また本実験により、トリッピングロッドの付加による効果には、変換効率を向上させるという点だけではなく、自励振動の同期領域を拡大させるという点もあることが見出された。付加ありの場合、換算流速6.5から8.5までの領域では、発生電力が一定に維持され、このことは流速がこの範囲内で変化しても発生電力が安定に保たれることを意味する。 以上の実験結果から、トリッピングロッドの付加は、渦励振を利用する発電システムのエネルギー変換効率を向上させる効果をもつことが示された。本研究では、質量比、減衰比、レイノルズ数、トリッピングロッドと振動円柱との直径比に関して数個の場合のみ実験を行った。これらのパラメーターをさらに変化させ、エネルギー変換の大小を調べることが次の課題として挙げられる。
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/10168268; https://dl.ndl.go.jp/pid/10168268
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Date Accepted (W3CDTF): 2016-08-04T09:59:51+09:00
• Date Created (W3CDTF): 2016-09-16
• Format (IMT): application/pdf
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://hdl.handle.net/10131/8522; https://ynu.repo.nii.ac.jp/records/4645
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp