On the flutter response of two-degree-of-freedom flat plates for energy harvesting applications

Pigolotti, Luca

Classical flutter is a dynamic instability that occurs in two-degree-of-freedom slender bodies with streamlined cross section, usually oscillating in the cross-flow (heaving) and rotational (pitching) components. The capability of performing large-amplitude, self-sustained motion is a fundamental requirement for any flutter-based generators. However, the post-critical regime of classical flutter is not-well studied yet. In the energy-harvesting framework, the main challenge is to understand how to design more unstable configurations, anticipating the instability threshold and enlarging the motion amplitudes. The thesis is devoted to improve the understanding of the critical and post-critical behaviour of fluttering systems that consider sets of governing parameters describing energy-harvesting configurations, with the purpose of developing as reliable as possible scientific investigations. Linear analyses are conducted to systematically explore the parametric space influencing the instability threshold. Therefore, extensive experimental campaigns are conducted in both the Stahlbau Institute and CRIACIV wind tunnels to focus on the post-critical response of flat-plate models with, respectively, 15:1 (width-to-depth) and 25:1 cross sections. The experiments required the development of specific aeroelastic setups to observe even the large-amplitude motion and of damping devices, being necessary to simulate the energy extraction from the heaving motion component. The results show that a sub-critical bifurcation characterises the flutter-induced instability, and limit-cycle oscillations occur in the post-critical regime with amplitudes that usually increase with the flow speed. The still-air uncoupled frequency ratio plays a key role on the system response. Lighters configurations are more unstable and small mass unbalance downstream of the elastic axis is able to foster the instability even in the presence of high-damping levels. Moreover, the optimal position of the elastic axis depends on the level of the heaving damping. Both scientific and technological impacts are expected, since this thesis supplies a systematic and large database of results on classical flutter and design guidelines for flutter-based generators.

Klassisches Flattern bezeichnet eine dynamische Instabilität, die bei schlanken Körpern mit stromlinienförmigen Querschnitten auftreten kann und die gewöhnlich sowohl mit Schwingbewegungen senkrecht zur Anströmrichtung als auch mit rotierenden Schwingbewegungen einhergeht. Die Fähigkeit, selbsterhaltende Bewegungen mit großen Amplituden auszuführen, ist eine grundlegende Anforderung an flatterbasierte Generatoren. Bisher wurde der überkritische Bereich des klassischen Flatterns nicht ausreichend untersucht. Vor dem Hintergrund der Energiegewinnung liegt die größte Herausforderung darin, instabilere Systemausbildungen zu entwerfen, die Instabilitätsschwelle vorherzusagen und die Bewegungsamplituden zu vergrößern. Die Arbeit zielt ab auf ein verbessertes Verständnis des kritischen und überkritischen Verhaltens flatterfähiger Systeme unter Nutzung von Parametern, die für die Ausbildungen von Systemen zur Energiegewinnung bestimmend sind. Linearisierte Systeme werden untersucht, um den Parameterraum auszuleuchten, welcher die Instabilitätsgrenze beeinflusst. In umfangreichen Versuchsreihen sowohl am Stahlbau-Institut der TU Braunschweig als auch an den CRIACIV- Windkanälen wurde die überkritische Antwort von Flachplattenmodellen mit Seitenverhältnissen von 15:1 und 25:1 untersucht. Neben Versuchsständen, welche die Beobachtung von Bewegungen mit großen Amplituden ermöglichen, waren Dämpfungskomponenten, mit deren Hilfe die Energieentnahme aus der Hubbewegung simuliert werden kann, zu entwickeln. Als Ergebnis der Untersuchungen ist die Flatterinstabilität als subkritische Bifurkation zu verstehen. Im überkritischen Bereich zeigen sich Grenzzyklen, deren Amplituden mit steigender Anströmgeschwindigkeit zunehmen. Das Frequenzverhältnis des in ruhender Luft entkoppelten Systems spielt eine Schlüsselrolle für die Systemantwort. Leichtere Systemausbildungen sind instabiler. Geringe Abweichungen des Massenschwerpunkts vom elastischen Schwerpunkt in leeseitiger Richtung begünstigen die Instabilität sogar unter hohen Dämpfungen. Überdies ist die optimale Position der elastischen Achse von der Größe der Dämpfung der Hubbewegung abhängig. Von dieser Arbeit sind Einflüsse sowohl in wissenschaftlicher als auch in technologischer Hinsicht zu erwarten, da eine große systematische Datenbasis zum klassischen Flattern und Entwurfsrichtlinien für flatterbasierte Generatoren zur Verfügung gestellt werden.

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Pigolotti, Luca: On the flutter response of two-degree-of-freedom flat plates for energy harvesting applications. Braunschweig 2017.

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