We experimentally investigated self-excited vibration of a cylindrical pendulum in a uniform flow as a fundamental step to evaluate its feasibility to energy harvesting. In the pendulum configuration, a cylinder is fixed to rigid upper plates via a thin elastic sheet so that it can swing perpendicularly to the free stream and cause periodic deformation of the elastic sheet. The dynamics of the pendulum were examined by varying free-stream speed and several geometric parameters of the pendulum. Whereas the past studies on vortex-induced vibration have mainly used reduced velocity, our study introduced non-dimensional free-stream velocity, the relative magnitude of the restoring bending moment of the sheet to the hydrodynamic moment acting on the cylinder, to characterize the pendulum dynamics. We confirmed that all pendulums showed similar amplitude and frequency responses at a given non-dimensional velocity and an oscillatory mode started to occur at a similar non-dimensional velocity. Mutual interaction of two cylindrical pendulums closely arranged in tandem was investigated as well, which discloses the dependence of amplitude response on center-to-center distance and the transition from vortex-induced vibration to wake galloping. General flow patterns of both single and dual pendulums were also identified by flow visualization.
본 논문에서는 균일 유동 속에 있는 원주형 진자 모델의 유동 유발 진동이 에너지 하베스팅에 적용 가능한지에 대해 연구하였다. 원주형 진자 모델은 강체인 실린더와 연성을 갖는 플라스틱 시트의 두 부분으로 구성되어 있으며 플라스틱 시트의 양 끝이 각각 실린더와 상부에 고정된 알루미늄 판에 고정되어 있어 실린더가 균일 유동과 수직한 방향으로 진동 할 수 있도록 하며 플라스틱 시트 역시 실린더의 진동에 따라 변형된다. 본 논문에서는 다양한 조건 하에서 원주형 진자 모델의 진동 특성이 어떻게 변화하는지에 대해 연구하였으며 균일 유동의 유속 뿐만 아니라 실린더의 길이 및 밀도, 플라스틱 시트의 길이, 두께, 너비 등의 다양한 변수를 변화시켜 주었으며 원주형 진자 모델은 각 변수의 변화에 따라 다양한 진동 패턴을 보여주었다. 일반적으로 실린더의 유동 유발 진동에 대한 연구에서는, 실린더의 진동 패턴을 분석하기 위해 Reduced velocity 라는 무차원화된 유속을 사용하지만 본 연구에서는 실린더에 작용하는 유체에 의한 모멘트와 플라스틱 시트에 의한 굽힘 모멘트의 비를 나타내는 무차원화된 유속 공식을 유도하여 실린더의 진동 패턴을 분석하였다. 이를 통해 우리는 모든 실린더가 정해진 무차원화된 유속 범위 내에서 비슷한 진폭, 진동수를 보이며 거의 같은 무차원화된 유속에서 진동하기 시작하는 것을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서는 하나의 원주형 진자 모델 뿐만 아니라 유동 방향으로 배열된 두 개의 진자 모델의 상호 작용에 대해서 연구하였으며 두 진자 모델이 거리에 따라 하나의 진자 모델만 배열되었을 때와는 다른 진동 패턴을 보임을 알 수 있었다. 또한 각각 하나 또는 두 개의 원주형 진자 모델의 와류 구조를 분석하기 위해 PIV(Particle image velocimetry) 기법을 사용하여 유동 가시화를 실시하였다.
