Effect of damping in VIV energy harvesting devices

VIV energy harvesters can be a valuable resource for both hydroelectric power generation and sensor power supply. This study aims to provide guidelines concerning mechanical damping for the design of this type of device. In particular, it focuses on the cross-flow open stream configuration analysis for which two cases were analysed: a cylinder with a circular cross-section and a prism with a square cross-section. The system was studied using unsteady 2D RANS simulations for various damping ratio values and flow velocity values. The results obtained show very different behaviour in the two configurations. The cylinder moves synchronously to the detaching vortices, and the lock-in condition is obtained and maintained even with mechanical damping. In the case of the square-based prism, the oscillation of the body is not synchronised with the detachment frequency of the vortices. Damping is also well tolerated by the system in this case. The two configurations perform best at different non-dimensional velocities, which can be exploited for different flow conditions.

VIV energy harvesters possono essere una risorsa importante sia per la produzione di energia da fonti idroelettriche sia per l’alimentazione di sensori. Questo studio mira a fornire delle linee guida, riguardo allo smorzamento meccanico, per la progettazione di questo tipo di dispositivi. In particolare, si concentra sull’analisi della configurazione cross-flow open stream per la quale sono stati analizzati due casi: cilindro a sezione circolare e prisma a base quadrata. Il sistema è stato analizzato tramite simulazioni unsteady 2D RANS, per vari valori del rapporto di smorzamento e di velocità del flusso. I risultati ottenuti evidenziano un comportamento molto diverso nei due casi. Il cilindro si muove in maniera sincrona ai vortici che si distaccano, è ottenuta la condizione di lock-in che è mantenuta anche in presenza smorzamento. Nel caso del prisma a base quadrata l’oscillazione del corpo non è sincronizzata con la frequenza di distacco dei vortici. Anche in questo caso lo smorzamento è ben tollerato dal sistema. I due casi hanno le loro migliori performance a velocità adimensionali diverse, questo può essere sfruttato per diverse condizioni di flusso.