Analysis of the power generated by the bistable flow around circular cylinders

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca do fenômeno da biestabilidade em pares de tubos circulares dispostos lado-a-lado com um escoamento cruzado turbulento e a capacidade de gerar potência a partir desse fenômeno. Experimentos em um canal aerodinâmico e em um canal hidrodinâmico com mesma geometria foram realizados utilizando pares de cilindros com diâmetro de 25,1 mm e razão de espaçamento p/d = 1,26. No canal aerodinâmico foi empregada a técnica de anemometria de fio quente. A análise de Fourier e a transformada de ondaletas foram utilizadas através do software MATLAB para análise dos sinais gerados. Para os experimentos em canal hidráulico, a técnica de visualização com tinta colorida injetada no escoamento através de orifícios nos tubos foi utilizada. Vídeos gerados com uma câmera com resolução de 1080 x 720 pixels e 30 quadros por segundo foram analisados por meio do software Tracker. Os principais resultados mostraram a presença da biestabilidade para cilindros fixos dispostos lado a lado e para cilindros posicionados 2,5° em relação ao escoamento, sendo que para esse último a presença da biestabilidade ocorreu apenas para os experimentos hidrodinâmicos. Na configuração onde os cilindros foram montados de modo que a rotação do sistema fosse possível, foram avaliadas as capacidades de gerar potência através de um sistema elétrico montado com um motor de passo funcionando como gerador. Os resultados mostraram a capacidade de geração de potência em pequenas escalas, conhecido como colheita de energia. Esses resultados foram comparados com um experimento de geração de potência através de uma turbina Savonius, mostrando que o sistema utilizando cilindros produz 43,5% menos energia. Por fim, um cilindro foi montado coaxialmente com o eixo do dispositivo, deixando o segundo cilindro livre para oscilar. Os resultados mostraram que o sistema oscila com baixa amplitude para qualquer velocidade de escoamento. Entretanto, ao se introduzir uma simples perturbação no escoamento, a amplitude aumenta, mantendo-se assim ao longo de todo o experimento, apresentando dois níveis de equilíbrio no sistema.

This work presents an experimental study about the phenomenon of bistability in pairs of circular tubes arranged side-by-side with a turbulent crossflow and the ability to generate power from this phenomenon. Experiments on an aerodynamic channel and a hydrodynamic channel with the same geometry were performed using pairs of cylinders with a diameter of 25.1 mm and spacing ratio p/d = 1.26. In the aerodynamic channel, the hot wire anemometry technique was used. Fourier analysis and wavelet transform were used using MATLAB software to analyze the generated signals. For the hydraulic channel experiments, the visualization technique with colored ink injected into the flow through holes in the tubes was used. Videos generated with a camera with a resolution of 1080 x 720 pixels and 30 frames per second were analyzed using the Tracker software. The main results showed the presence of bistability for fixed cylinders placed side-by-side and for cylinders positioned 2.5 ° to the flow, and for the latter, the presence of bistability occurred only for hydrodynamic experiments. In the configuration where the cylinders were mounted so that the rotation of the system was possible, the ability to generate power through an electrical system mounted with a stepper motor acting as a generator was evaluated. The results showed the capacity to generate power on small scales, known as energy harvesting. These results were compared with a power generation experiment using a Savonius turbine, showing that the system using cylinders produces 43.5% less energy. Finally, one cylinder was mounted coaxially with the axis of the device, setting up the second cylinder free to oscillate. The results showed that the system oscillates with low amplitude for any flow velocity. However, when is introduced a simple flow disturbance, the amplitude increases, maintaining itself throughout the whole experiment, presenting two levels of equilibrium in the system.