Doğadan esinlenen köpekbalığı derisi dişçik yapılarının aerodinamik ve enerji hasadı performansının deneysel analizi

Abstract

Akış kaynaklı titreşim (Flow Induced Vibration – (FIV)), küçük ölçekli elektromekanik enerji hasadı alanında umut verici bir yaklaşım sunmaktadır; ancak geleneksel küt cisim enerji hasadı mekanizmalarının performansı, genellikle yüksek aerodinamik sürükleme ve kendi kendini sınırlayan aeroelastik sönümleme nedeniyle kısıtlanmaktadır. Bu araştırma, biyomimetik köpek balığı derisi dermal dentiküllerinin ikili işlevsellik potansiyelini incelemekte ve söz konusu yapıları pasif sürükleme azaltıcı yüzeylerden aktif FIV enerji hasadı mekanizmalarına dönüştüren özgün bir yaklaşım sunmaktadır. Mevcut biyomimetik uygulamalardaki temel bir sınırlılık, mikro-geometrilerin bir tabakaya rijit biçimde sabitlenmesi ve bu durumun dinamik akışkan-yapı etkileşimini sönümlemesidir. Bu sorunu aşmak amacıyla, dentikül dizilerini fiziksel olarak bağımsızlaştıran; böylece pasif yunuslama takibine ve bölgesel sınır tabaka manipülasyonuna olanak tanıyan özel tasarım, çok serbestlik dereceli bir döner mafsal mekanizması geliştirilmiştir. Dentiküllere ait makroskobik ve mikro-geometrik parametreleri farklı Reynolds rejimleri boyunca sistematik biçimde optimize etmek üzere, bir rüzgâr tünelinde kapsamlı bir Taguchi L18 ortogonal dizisi uygulanmıştır. Aerodinamik yük hücresi verileri ve Varyans Analizi (Analysis of Variance – (ANOVA)) sonuçları, döner mafsalın geleneksel küt cisim sürüklemesini başarıyla bertaraf ettiğini ortaya koymuştur. Rijit konfigürasyonlarda akış dinamikleri bütünüyle makroskobik uzunluk tarafından domine edilirken; hareketli mafsal mikro-geometriyi dinamik olarak aktif hâle getirmiş ve yan çıkıntı yüksekliği oranının (TH/H) biçim sürüklemesi azaltımına %26.2 oranında katkı sağlamasına yol açmıştır. Kinematik açıdan lazer deplasman analizi, söz konusu pasif aerodinamik adaptasyonun yüksek genlikli galoplamayı tetiklediğini ve ankastre kirişin yapısal sapmasını sabit referans modellere kıyasla %400'ün üzerinde (8.63 mm'den 34.94 mm RMS değerine) artırdığını kanıtlamıştır. Bu durumun bir sonucu olarak elektromekanik dönüşüm üstel düzeyde artış göstermiştir. İstatistiksel analizler, döner mafsalın piezoelektrik üretim mekanizmasını salt akışkan hızının oluşturduğu doğrudan etkiden özgül biyomimetik geometriye (W/H ve L) kaydırdığını doğrulamıştır. 11.5 m/s hızda test edilen nihai optimum konfigürasyon (L = 12 cm, W/L = 0.87, W/H = 2.5), sürüklemeyi minimize ederken aynı zamanda 10.248 V RMS değerinde tepe elektrik çıktısı üreterek ikili bir optimum duruma ulaşmıştır. Bu çalışma, mekanik olarak eklemlenmiş biyomimetik yapıların, yeni nesil enerji hasadı sistemleri için yüksek verimli ve aktif aero-elektromekanik doğrultucular olarak işlev görebileceğini kesin bir biçimde ortaya koymaktadır.

Flow induced vibration (FIV) presents a promising avenue for small scale electromechanical energy harvesting, yet conventional bluff body harvesters are frequently hindered by high aerodynamic drag and self-limiting aeroelastic damping. This research investigates the dual-functional potential of biomimetic shark skin dermal denticles, proposing a novel approach that transitions these structures from passive drag-reduction surfaces to active FIV energy harvesters. A fundamental limitation of current biomimetic applications is the rigid attachment of micro-geometries to a substrate, which suppresses dynamic flow-structure interaction. To overcome this, a custom multi degree of freedom revolute joint was designed to physically decouple the denticle arrays, enabling passive pitch-tracking and localized boundary layer manipulation. A comprehensive Taguchi L18 orthogonal array was executed in a wind tunnel to systematically optimize the macroscopic and micro-geometric parameters of the denticles across varying Reynolds regimes. Aerodynamic load cell data, coupled with Analysis of Variance (ANOVA), revealed that the revolute joint successfully bypasses traditional bluff body drag. While rigid configurations were dominated entirely by macroscopic length, the movable joint dynamically activated the micro-geometry, with the side-ridge height ratio (TH/H) driving a 26.2% contribution to form drag reduction. Kinematically, laser displacement analysis demonstrated that this passive aerodynamic adaptation triggered high-amplitude galloping, amplifying the cantilever beam's structural deflection by over 400% (from 8.63 mm to 34.94 mm RMS) compared to fixed baselines. Consequently, the electromechanical transduction was exponentially enhanced. Statistical analysis proved that the revolute joint shifted the driver of piezoelectric generation from brute-force fluid velocity to the specific biomimetic geometry (W/H and L). The ultimate optimum configuration (L\ =\ 12 cm, W/L\ =\ 0.87, W/H\ =\ 2.5) operating at 11.5 m/s achieved a dual-optimum state, minimizing drag while generating a peak electrical output of 10.248 V RMS. This study definitively demonstrates that mechanically articulated biomimetic structures can serve as highly efficient, active aero-electromechanical rectifiers for next-generation energy harvesting.