EE - Escola de Engenharia
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- ItemConstructal design applied to an oscillating water column wave energy converter device subjected to a realistic sea state(2022) Maciel, Rafael Pereira; Isoldi, Liércio André; Gomes, Mateus das NevesThis work presents a numerical analysis of an Oscillating Water Column (OWC) converter device, an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy, using realistic sea state data. The main goal of this work is to perform a geometric evaluation of this device in order to define an optimal geometry to maximize its available hydrody- namic power. To do so, the WaveMIMO methodology was employed, which converts sea data from spectral wave model Tomawac into time series of free surface elevation, which is, then, appropriately treated and transformed into orbital velocity compo- nents of water particles. Tomawac obtained realistic sea state data from the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, for the year 2014, which was used for the study case. In the numerical simulations, it was also em- ployed a methodology which uses transient velocity data as a means to impose velocity boundary condition for the generation of numerical waves. This methodology was validated reproducing a laboratory experiment with regular waves, which consisted of laboratory-scale OWC device inserted in a wave channel. To perform the geometrical evaluation of the device, the Constructal Design method is employed. The objective function is to maximize the available hydropneumatic power. The hydropneumatic chamber volume (VHC) and the total volume of the OWC device (VT ) are adopted as geometric constraints of the problem and were kept constant. Three degrees of freedom (DOF) are chosen for this study: H1 /L (ratio between height and length of the hydropneumatic chamber), whose values are varied, H2/l (ratio between height and length of the turbine duct) and H3 (submergence depth of hydropneumatic chamber), whose values were kept constant. Finally, the best device performance happened with geometry of H1 /L value of 0.1985 and presented a hydropneumatic power Phyd of 29.63 W. That is 4.34 times higher than the power obtained with the worst geometry performance, which was 6.83 W, obtained with the degree of freedom H1 /L value of 2.2789; and 2.49 times higher than the power obtained by the device with the same dimensions as those from the one in Pico island, which was 11.89 W. The contribu- tion of this study is to perform a geometric evaluation, with the Constructal Design method, of an OWC device subjected to realistic irregular waves from the wave climate of the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, which is unprecedented in the literature.
- ItemAnálise numérica do comportamento de dispositivo de conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante onshore com diferentes geometrias da câmara(2021) Güths, Angélica Konradt; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, EricAtualmente, a maior parte da energia utilizada mundialmente vem de fontes não renováveis, causando sérios problemas ambientais. Uma alternativa de fonte reno- vável de energia são as ondas do mar, que possuem grande potencial energético. O dispositivo de conversão de energia das ondas do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) é um dos mais estudados; porém, seu uso ainda não está consolidado. O objetivo desse trabalho é o de propor uma nova geometria da câmara de um dispo- sitivo CAO onshore, analisar numericamente a sua performance e comparar o seu comportamento hidropneumático com CAO’s de câmeras com diferentes inclina- ções da parede frontal. As simulações são realizadas em um canal numérico usan- do o software FLUENT, considerando as equações de Navier-Stokes na média de Reynolds (Reynolds-averaged Navier-Stokes – RANS) para um escoamento 2D sendo o água incompressível e o ar compressível considerado como gás ideal, o modelo de turbulência e o método Volume of Fluid (VOF) para tratar um escoamento com superfície livre. No dispositivo é simulada a turbina Wells com relação característica igual a 100 Pa.s/m3 e as dimensões das câmaras tem a mes- ma ordem de grandeza das dimensões da planta da ilha Pico (Açores, Portugal). São comparados dois casos: CAO padrão com diferentes inclinações da parede frontal (casos A) e os da nova proposta (casos B), em que é inserida uma parede frontal externa inclinada no sentido oposto à propagação da onda incidente. Os dispositivos são analisados para diferentes períodos de ondas incidentes (6 a 12 s) e altura de 1,5 m, incluindo o comportamento do escoamento na região da câmara, os efeitos de run up/down na parede frontal, sloshing dentro da câmara e a análise do balanço de energia na região do dispositivo. A configuração dos casos B con- tribui para a diminuição de possibilidade de galgamento (menor run up/down) e de entrada de ar dentro da câmara. De maneira geral, os casos B apresentam coe- ficientes de reflexão menores do que aqueles dos casos A para uma mesma incli- nação da parte interna da parede frontal. Quanto à eficiência dos casos, definida pela energia extraída, os casos B apresentam maiores valores do que os casos A e os melhores desempenhos são alcançados pela inclinação da parede frontal exter- na de 40o e da parede frontal de 40o e 52o. A solução única ótima depende das características do estado do mar da região em que o dispositivo CAO será instalado.
- ItemAnálise numérica da eficiência de dispositivos conversores de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante aclopado em quebra-mar(2020) Wiener, Guilherme Ferreira; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric LionelCom o advento da tecnologia nos tempos modernos, a demanda por energia elétrica é crescente ao longo dos anos. Em contrapartida, a maioria dos métodos de produção de energia utilizam recursos não renováveis, impactando o meio-ambiente e aumentando o custo de compra. Perante isto, diversos estudos abordam o tema de fontes renováveis de energia, em que uma das fontes é a das ondas. Um dos dispositivos de conversão de energia das ondas muito difundido é o de Coluna de Água Oscilante (CAO), em que uma câmara de ar fechada acima do nível da superfície livre e uma turbina acoplada são capazes de produzir eletricidade, sendo destaque em diversos trabalhos analíticos e experimentais. No presente trabalho, são realizadas análises numéricas para determinar as dimensões ótimas de turbinas do tipo Wells e câmaras de dispositivos de CAO inseridos em um quebra-mar hipotético, funcionando em paralelo, a uma profundidade de 14 m na costa Sul do Brasil. O estado de mar é representado pela ocorrência de ondas regulares para uma faixa de períodos e alturas características da região. Assim, são calculadas as potências médias anuais de diferentes combinações de diâmetros e rotações de turbina e de comprimento e largura da câmara do conversor CAO para determinar o dispositivo mais eficiente para a região. Para a realização das simulações numéricas, emprega-se o software FLUENT®, baseado no modelo Reynolds Averaged Navier-Stokes equations e a técnica Volume of Fluid (RANS-VoF), resolvidas numericamente pelo Método de Volumes Finitos, e o modelo simplificado TDO (Turbine Diameter Optimization) generalizado, desenvolvido neste trabalho. O modelo TDO modificado é calibrado pelo FLUENT® para cada onda incidente e considera o movimento oscilatório da superfície livre dentro da câmara como o de um pistão e o ar dentro da câmara sofrendo uma transformação adiabática. O diâmetro ótimo da turbina e o comprimento e largura do dispositivo que geram a maior eficiência são escolhidos considerando o estado de mar da região e dispositivos com 16 m de altura (10 m estão submersos) com uma parede frontal submersa de 2.5 m. Como resultado final, encontrou-se a maior eficiência (50.69%) em um dispositivo de 15x15 m e diâmetro de turbina de 3.00 m, sendo 17.35% mais eficiente que o dispositivo de 5x5 m e diâmetro de 1.25 m (33.34%).
- Item3D numerical analysis about the shape influence of the hydro-pneumatic chamber in an oscillating water column (owc).(2015) Isoldi, Liércio André; Grimmler, Juliana do Amaral Martins; Letzow, Max; Souza, Jeferson Avila; Gomes, Mateus das Neves; Rocha, Luis Alberto Oliveira; Santos, Elizaldo Domingues dosThe oceans represent one of the major energy natural resources, which potentially can be used to supply the World energy demand. In the last decades some devices to convert the wave ocean energy into electrical energy have been studied. In this work the operating principle of an Oscillating Water Column (OWC) converter was analyzed with a transient 3D numerical methodology, using the Finite Volume Method (FVM) and the Volume of Fluid (VOF) model. The incident waves on the OWC hydropneumatic chamber cause an oscillation of the water column inside the chamber producing an alternate air flow through the chimney. The air drives a turbine that is coupled to an electric generator. The aim of this work was to investigate the shape influence of the hydro-pneumatic chamber geometry in the air flow. For this, six cases were studied in laboratory scale and the results showed that the variation of the OWC chamber shape can improve 12.4% the amount of mass air flow.
- ItemSimulação numérica de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante: comparação de dois códigos numéricos(2010) Conde, José Manuel Paixão; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric LionelNeste artigo apresentam-se os resultados da aplicação de dois códigos numéricos na simulação de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante. Um dos códigos (FLUINCO) é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro (FLUENT) na técnica dos volumes finitos. O objectivo do trabalho consiste na validação destes códigos para este tipo de escoamento, com o intuito de os aplicar de forma sistemática no projecto de sistemas de aproveitamento de energia das ondas. O caso simulado, que corresponde a um modelo simplificado testado experimentalmente, permitiu concluir da boa qualidade dos resultados obtidos, existindo uma boa correspondência entre os resultados experimentais e os obtidos pelos códigos numéricos.
- ItemSimulação numérica da ação de ondas sobre um dispositivo de captação de energias das ondas do tipo coluna de água oscilante(2011) Davyt, Djavan Perez; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Ramalhais, Rúben dos Santos; Didier, Eric LionelNeste trabalho é analisado um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante sob a ação de ondas regulares de diferentes períodos. São realizadas variações no comprimento submerso da parede frontal e no comprimento da câmara. Para tal é utilizado o código numérico FLUINCO, o qual é baseado nas equações RANS e a discretização é realizada utilizando o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos. Uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE) é utilizada para permitir a solução de problemas que envolvem movimentos da superfície livre. Alguns resultados são comparados com os obtidos utilizando o programa FLUENT. São apresentados a amplificação (relação entre a altura da onda incidente a e dentro da câmara), distribuição das velocidades e vetores de velocidade.
- ItemNumerical simulation of an oscillating water column device using a code based on Navier-Stokes equations(2013) Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Davyt, Djavan Perez; Didier, Eric Lionel; Ramalhais, Rúben dos SantosThe study of ways of converting ocean wave energy into a useful one and the improvement of the existing equipment are complex engineering problems and very important issues in today’s society. In this paper, the onshore oscillating water column device, in a 10 m deep channel subjected to 1 m high incident wave and wave periods from 4 s to 15 s, is investigated. The numerical analyses are carried out using Fluinco model that deals with incompressible flow problems based on the Navier-Stokes equations and employs the two-step semi-implicit Taylor-Galerkin method. An aerodynamic model is implemented in the algorithm to determine the air pressure that is imposed on the free surface. Analyses are divided into two sections. In the first section, the flow variables obtained by Fluinco and the commercial model Fluent are compared and similar results are obtained. In the second section, an investigation of the chamber geometry and turbine characteristic relation that provide the best device performance is carried out. In this case, variations in the front wall depth, the chamber length, the turbine characteristic relation and the chamber height, are made.
- ItemNumerical analysis of regular waves over an onshore oscillating water column(2010) Davyt, Djavan Perez; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Ramalhais, Rúben dos Santos; Didier, Eric LionelThe potential of wave energy along coastal areas is a particularly attractive option in regions of high latitude, such as the coasts of northern Europe, North America, New Zealand, Chile and Argentina where high densities of annual average wave energy are found (typically between 40 and 100 kW/m of wave front). Power estimated in the south of Brazil is 30kW/m, creating a possible alternative of source energy in the region. There are many types and designs of equipment to capture energy from waves under analysis, such as the oscillating water column type (OWC) which has been one of the first to be developed and installed at sea. Despite being one of the most analyzed wave energy converter devices, there are few case studies using numerical simulation. In this context, the numerical analysis of regular waves over an onshore OWC is the main objective of this paper. The numerical models FLUINCO and FLUENT® are used for achieving this goal. The FLUINCO model is based on RANS equations which are discretized using the two-step semi-implicit Taylor-Galerkin method. An arbitrary lagrangean eulerian formulation is used to enable the solution of problems involving free surface movements. The FLUENT® code (version 6.3.26) is based on the finite volume method to solve RANS equations. Volume of Fluid method (VOF) is used for modeling free surface flows. Time integration is achieved by a second order implicit scheme, momentum equations are discretized using MUSCL scheme and HRIC (High Resolution Interface Capturing) scheme is used for convective term of VOF transport equation. The case study consists of a 10.m deep channel with a 10 m wide chamber at its end. One meter high waves with different periods are simulated. Comparisons between FLUINCO and FLUENT results are presented. Free surface elevation inside the chamber; velocity distribution and streamlines; amplification factor (relation between wave height inside the chamber and incident wave height); phase angle (angular difference between the wave inside and outside the chamber); and sloshing parameter to quantify it inside the chamber are analised. Finally, a discussion of the potential and limitations of each numerical model as well as the behaviour of the onshore OWC device is presented.
- ItemTwo-dimensional geometric optimization of an oscillating water column converter of real scale(2013) Gomes, Mateus das Neves; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André; Rocha, Luiz Alberto de OliveiraThe present paper presents a two-dimensional numerical study about the geometric optimization of an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy. The operational principle is based on the Oscillating Water Column (OWC). The main goal is to seek for the optimal geometry which maximizes the absorbed power take off (PTO) when it is subjected to a defined wave climate. To do so, Constructal Design is employed varying the degree of freedom (DOF) H1/L (ratio between the height and length of OWC chamber) and H3 (lip submergence), while the other DOF H2/l (ratio between height and length of chimney) is kept fixed. Moreover, the chamber and total areas of OWC device are also kept fixed, being the problem constraints. In this study was adopted a regular wave with real scale dimensions. For the numerical solution it is used the Computational Fluid Dynamic (CFD) commercial code FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The computational domain is represented by an OWC device coupled with the wave tank. The results led to a theoretical recommendation about the chamber geometry which maximizes the device performance, indicating that the higher efficiency (around 40 %) is obtained when H1/L = 0.13 and H3 = 9.50 m. On the other hand, the chamber geometry that generate the lower efficiency (around 4.4 %) is formed by H1/L = 0.03 and H3 = 9.00 m. One can note that the optimal shape is approximately 10 times more efficient than the worst geometry, showing the applicability and relevance of the Constructal Design method in the design of OWC-WEC.
- ItemNumerical simulation of an owc devise(2013) Souza, Jeferson Avila; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio AndréWave energy is a renewable and clean energy resource that, in a near future, may become an alternative to the more pollutant fuels. There are a number of wave energy converters prototypes and a few installed text facilities, however there is no device ready for commercial utilization. In this work an Oscillation Water Column Generator (OWC) is numerical simulated using the OpenFOAM software. The VOF (volume of fluid) method is used to solve the multiphase (air + water) fluid flow problem. Regular gravity waves, inside a rectangular (2D) tank, are imposed numerically by prescribing the inlet velocity at the left wall of the tank. The main goal of the work is to simulate the interaction between the generated waves and the OWC device and calculate the energy generated by the turbine (usually a Wells turbine). The air turbine, responsible for the electrical energy generation, is simulated by applying a source (force) term to the momentum equation at the OWC chimney section. Pressure drop at the turbine and air velocity at the chimney outlet section are evaluated as a function of time and used to compute the available energy to be converted into electrical energy. Results are presented and compared for two operating condition: with turbine and without turbine.