Semi-analytical models for the structural design of VIV-based energy harvesting devices

Energy harvesting devices utilizing the Vortex-Induced Vibration (VIV) phenomenon are gaining significant research attention due to their potential to generate energy from small water flows, where conventional hydroelectric plants are impractical. Developing effective design methods for these devices is therefore essential. The purpose of the present work is to analyze semi-analytical approaches for the structural design of such devices, focusing on two critical configurations. In the first configuration, a simplified method is proposed to address the flow-induced nonlinear vibration of a clamped-clamped plate. For the second configuration, the structure’s natural frequency is estimated using the Rayleigh method, Dunkerley’s method, and a basic Finite Element Analysis (FEA). Additionally, an enhanced version of the Rayleigh method is presented to account for the effect of the surrounding fluid. Comparative analyses with Finite Element Method (FEM) simulations assesses the accuracy of these methods and, in this framework, potential improvements are highlighted. These findings provide practical tools for the structural design of VIV-based energy harvesters and suggest avenues for further enhancing their reliability.

I dispositivi di energy harvesting basati sul fenomeno delle Vortex-Induced Vibration (VIV) stanno attirando un crescente interesse scientifico per la loro capacità di generare energia da piccoli flussi d'acqua, dove l'impiego di centrali idroelettriche convenzionali risulta impraticabile. È quindi essenziale sviluppare metodi di progettazione efficaci per tali dispositivi. Il presente studio si propone di analizzare approcci semi-analitici per il dimensionamento strutturale degli stessi, concentrandosi su due configurazioni critiche. Nella prima configurazione, viene proposto un metodo semplificato per affrontare le vibrazioni non lineari indotte dalla scia vorticosa su una piastra doppiamente incastrata. Per la seconda configurazione, la frequenza naturale della struttura viene stimata utilizzando il metodo di Rayleigh, il metodo di Dunkerley e una rudimentale analisi agli elementi finiti (FEA). Inoltre, viene presentata una versione aggiornata del metodo di Rayleigh per tenere conto dell'effetto del fluido circostante. Analisi comparative con simulazioni agli elementi finiti (FEM) sono impiegate per attestare l'accuratezza di questi metodi ed evidenziare possibili migliorie. Nel coplesso, questi risultati forniscono strumenti pratici per la progettazione strutturale di dispositivi di energy harvesting basati su VIV e suggeriscono possibili vie per migliorarne ulteriormente l' affidabilità.