EE- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica
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- ItemPerspectivas para a exploração da energia das ondas na costa Brasileira: uma análise energética, logística e geográfica(2020) Guimarães, Ricardo Cardoso; Marques, Wiliam CorreaA necessidade constante de suprir a crescente demanda energética mundial, acarreta em um aumento na geração de gases do efeito estufa. Para contornar esse problema cada vez mais meios alternativos de geração de energia vêm sendo utilizados para compor a malha energética. Uma das alternativas, que, nas ultimas décadas vêm recebendo grande atenção por parte dos pesquisadores, é a conversão da energia das ondas em energia elétrica. No Brasil, os estudo também ganharam força, e cada vez mais se admite a possibilidade de implementar conversores de energia das ondas na costa brasileira. Com isso em mente, o presente trabalho visa determinar as regiões na costa brasileira mais capazes de serem exploradas através da energia ondulatória. Para isso, uma simulação de 37 anos do estado de mar brasileiro, é utilizada em conjunto com uma metodologia multicriterial, onde, as condições logísticas e energéticas da costa brasileira são quantificadas. Posteriormente, matrizes de potência, de 8 modelos de conversores são utilizadas para quantificar o potencial teórico gerado nas melhoras localidades. Os resultados mostraram, que, em termos energéticos as regiões Sul e Sudeste do Brasil apresentam os maiores potenciais. Esse fator também se mostrou a causa da presença de menores índices logísticos nessas regiões, ao compara-las com as regiões Norte e Nordeste do Brasil. Após a parametrização dos índices se observou três zonas de interesse na costa brasileira: Cabo Frio, Imbituba e São José do Norte. Ao aplicar as matrizes de conversão nesses locais, potências médias de geração diária entre 1,5 e 230 kW foram observadas, sendo as maiores localizadas na região de Cabo Frio, utilizando o modelo BHBA de conversor. A variabilidade na produção energética também foi discutida, e deve ser um fator primário na escolha do modelo de conversores, assim como no dimensionamento do mesmo. Por fim, todos resultados se mostraram condizentes com trabalhos prévios, entretanto, o caminho para implementação de um sítio de conversão de energia das ondas no Brasil ainda é longo, e deve ser focado na otimização de dispositivos para as águas brasileiras.
- ItemAvaliação geométrica de uma estrutura acoplada a um conversor de energia das ondas onshore do tipo galgamento aplicando o design construtal(2020) Barros, Andréia Sá de; Santos, Elizaldo Domingues dos; Gomes, Mateus das NevesNo presente trabalho foi realizado um estudo numérico de avaliação geométrica de um conversor de energia das ondas do tipo galgamento com uma estrutura acoplada (um obstáculo trapezoidal) montada no fundo de um canal de ondas em escala real, por meio do Design Construtal. É simulado o princípio de funcionamento do dispositivo que consiste no acúmulo de água em um reservatório elevado acima do nível do mar para conversão posterior em turbinas hidráulicas de baixa queda. O principal objetivo aqui é avaliar a geometria do conjunto dispositivo/obstáculo que maximiza a quantidade de água acumulada no reservatório do dispositivo. O problema estudado foi submetido a três restrições de áreas: área total do canal de ondas (AT), fração de área dada pela razão entre a área de rampa e a área total do canal (φr = Ar/AT) e área do obstáculo colocado no fundo do canal (At) e quatro graus de liberdade: razão entre a altura e o comprimento do canal (HT/LT), razão entre a altura e o comprimento da rampa (H3/L3) (ou declive da rampa), distância entre o fundo do canal e o dispositivo (H1) e razão entre as bases menor e maior do obstáculo trapezoidal (L1/L2). No presente estudo, são investigados os efeitos de H3/L3 e L1/L2 sobre a massa de água que entra no reservatório. Equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica da água são resolvidas com o Método dos Volumes Finitos (MVF). Para lidar com mistura água-ar, é utilizado o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF). Os resultados mostraram que a associação de uma estrutura acoplada à rampa de um dispositivo de galgamento pode melhorar o desempenho do dispositivo em 30% comparado a um dispositivo convencional. A inserção do obstáculo contribuiu para o desempenho do dispositivo, porém H3/L3 possui maior efeito que L1/L2 sobre o indicador de performance. Por fim, a menor razão de H3/L3 associada a magnitudes intermediárias de L1/L2, ou seja, uma rampa no formato trapezoidal, levam ao melhor desempenho do conjunto dispositivo/obstáculo.
- ItemComparação numérica de um conversor do tipo galgamento sob a incidência de ondas regulares ou irregulares baseadas em estados de mar realísticos da costa do Rio Grande do Sul(2020) Hübner, Ricardo Gabriel; Isoldi, Liércio André; Machado, Bianca NevesO presente estudo numérico objetiva avaliar a diferença no comportamento fluidodinâmico de um dispositivo de galgamento sob a incidência de ondas irregulares de um estado de mar realístico quando comparado à incidência de ondas regulares representativas deste estado de mar, considerando dados de mar de 3 pontos da costa do Rio Grande do Sul. Para a modelagem computacional o software Fluent® , baseado no Método dos Volumes Finitos (MVF) foi utilizado. A geração numérica das ondas irregulares e regulares, deu-se através da imposição da condição de contorno de velocidade de entrada do canal por meio de dados transientes discretos das velocidades orbitais de propagação das ondas nos sentidos horizontal e vertical. Para o tratamento adequado da interação água-ar foi empregado o modelo multifásico Volume of Fluid. No final do canal é imposta uma região de dissipação da energia das ondas (praia numérica), que permite a obtenção de resultados para 15 min de simulação. Os resultados para a quantidade de água que galgou a rampa e foi acumulada no reservatório mostraram que o comportamento fluidodinâmico do dispositivo de galgamento tem alterações significativas quando comparadas as duas abordagens propostas. Para os 3 pontos da costa analisados, o dispositivo de galgamento acumulou maior quantidade de água no reservatório e também apresentou comportamento mais estável quando sob a incidência das ondas regulares representativas do estado de mar do que quando sob a incidência das ondas irregulares do estado mar. Diferenças de até 350% foram encontradas para a massa de água acumulada no reservatório do conversor do tipo galgamento, demonstrando assim evidências de que os resultados podem estar sendo superestimados quando o dispositivo é simulado sob a incidência de ondas regulares representativas.
- ItemSimulação numérica de um dispositivo conversor de energia das ondas em energia elétrica do tipo OWC comparando o regime laminar com modelos de turbulência(2018) Santos, Andrei Luís Garcia; Souza, Jeferson Avila; Santos, Elizaldo Domingues dosA transformação de energia das ondas em energia elétrica é um assunto bastante recorrente na comunidade científica, onde um número crescente de trabalhos tem envolvido de forma experimental e/ou numérica esse tópico em questão. O presente trabalho propõe o estudo numérico de um domínio que simula um dispositivo conversor de energia das ondas em energia elétrica do tipo OWC (Oscillating Water Column), comparando os resultados de um escoamento considerando o regime laminar e turbulento com diferentes abordagens numéricas para a turbulência. O princípio físico de conversão do OWC aproveita o movimento de uma coluna d’água que oscila dentro de uma câmara parcialmente submersa, gerando uma diferença de pressão e o movimento de entrada e saída de ar através de uma chaminé. Uma turbina instalada nesta chaminé converte a energia cinética do ar em energia elétrica. A simulação é feita através do método dos volumes finitos (MVF) utilizando o programa OpenFOAM, versão 2.4.0, de código aberto. Para resolução do problema, o software utiliza o solver InterFOAM que aplica a metodologia Volume of Fluid (VOF) para o escoamento bifásico de ar e água. O estudo visa analisar as diferenças obtidas nos resultados com o escoamento no regime laminar em comparação com o regime turbulento utilizando a abordagem RANS (Reynolds Average Navier Stokes) com os modelos k-ε, k-ω SST e Spalart-Allmaras e a abordagem LES (Large Eddy Simulation) com o modelo submalha dinâmico de Smagorinsky. Essa comparação visa avaliar a real necessidade da utilização dos modelos de turbulência nesse tipo de problema. Os parâmetros utilizados são baseados em um clima de ondas da costa sul do Brasil (L = 65,4 m, H = 1 m, h = 10 m, T = 7,5 s), modelado matematicamente com a teoria não linear de Stokes. É observado no presente trabalho que não há diferença nos resultados comparando o regime laminar com os modelos de turbulência RANS. Em contrapartida, o modelo LES apresentou diferenças significativas nos resultados o que configura a importância desse tipo de comparação realizada para posteriores análises em diferentes abordagens do tema.
- ItemAnálise numérica de dispositivos de extração de energia das ondas do tipo galgamento(2016) Barbosa, Dante Vinicius Eloy; Souza, Jeferson AvilaConsiderando o atual empenho da comunidade científica em desenvolver tecnologias capazes de gerar energia elétrica de forma sustentável, o presente trabalho refere-se ao conversor de energia das ondas chamado de Dispositivo de Galgamento. Este dispositivo provoca a quebra de ondas incidentes a cima da linha de repouso visando criar uma queda d'água capaz de movimentar turbinas de baixa carga contidas no interior de um reservatório. Propõe-se desenvolver uma solução numérica pelo Método dos Volumes Finitos da incidência de ondas regulares sobre dispositivos de galgamento em canais utilizando programa OpenFOAM 2.1.1, que aplica a metodologia Volume de Fluido (volume of fluid – VOF ) para o tratamento do escoamento bifásico (ar e água), através do solver interFOAM. O OpenFOAM é um programa livre de código aberto, que tem conquistado espaço na área dos métodos numéricos em geral. Sendo assim, este estudo busca documentar a metodologia aplicada pelo solver interFOAM, bem como apontá-lo como uma ferramenta interessante para o estudo do princípio de funcionamento de um dispositivo que extrai energia das ondas. Para isto, realiza-se a comparação da onda numérica (H = 1 m, T = 7,5 s, = 65,4 m e h = 10 m) com o modelo matemático não-linear de Stokes, mostrando que o OpenFOAM conduz a resultados coerentes em relação ao modelo matemático. Comparações das séries de galgamentos calculadas pelo OpenFOAM e pelo programa comercial ANSYS Fluent são apresentadas, mostrando a simultaneidade dos picos de galgamento durante as séries de tempos para sete geometrias diferentes do dispositivo. As magnitudes dos galgamentos também são semelhantes entre os programas. A partir da metodologia verificada, o presente trabalho contribui para o estado da arte avaliando o desempenho de dispositivos em escala real que provocam o galgamento da onda sobre superfícies curvas. Neste caso, são estudadas seis superfícies diferentes separadas em dois grupos em função do comprimento da base que possuem (bases de 12,5 m e 25 m). Os grupos possuem uma superfície linear (rampa), uma superfície côncava e uma superfície convexa. O estudo mostra que, para as condições dadas, a utilização de bases mais compridas ocasionam ganho significativo de massa de água galgada. Nota-se também que adotar uma curvatura adequada para a superfície com base menor, torna possível ultrapassar a quantidade atingida por dispositivos de bases maiores.
- ItemAvaliação numérica da potência das ondas absorvida por um dispositivo de coluna de água oscilante instalado na costa sul do Brasil(2016) Lisboa, Rodrigo da Cruz; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasO aumento da demanda mundial por energias, associado à tendência de ampliação da utilização de fontes energéticas renováveis faz com que pesquisadores e engenheiros voltem as suas atenções para a energia contida nas ondas do mar. Embora estudos globais indiquem um grande potencial energético das ondas em várias regiões costeiras do mundo, para a otimização do desempenho de conversores de energia das ondas, é necessária a avaliação e caracterização detalhada do potencial energético no local de instalação do equipamento. Inserido nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo a avaliação numérica da potência das ondas absorvida por um dispositivo do tipo coluna de água oscilante instalada na costa sul do Brasil. Para a determinação do potencial energético local, dez anos de ondas em águas profundas, obtidas através do modelo Wave Watch III, foram propagadas para a região de interesse através do modelo Mike 21 SW que foi aferido e validado. Resultados mostraram que o fluxo de energia em águas profundas (80 m) é de 22.3 kW/m e em águas intermediárias (14 m) esse fluxo é diminuído para 6.7 kW/m. A refração e a dissipação por atrito com o fundo são as causas para a atenuação do fluxo de energia. Além disso, foi verificada uma variabilidade do fluxo de energia moderada em águas profundas e alta em águas intermediárias. Entretanto, os custos de construção, operação e manutenção de conversores de energia das ondas são significativamente menores em águas intermediárias comparado aos mesmos em águas profundas. Com isso, estudos de viabilidade levando em conta a possibilidade de instalação de conversores em águas intermediárias são justificáveis, principalmente para os casos de estruturas mistas com duplo objetivo: abrigo e geração de energia. Para a avaliação numérica da potência gerada por uma coluna de água oscilante, na região sul do Brasil, acoplada num quebra mar, na profundidade de 14 m, utilizou-se o modelo Fluent. Com o objetivo de otimizar o conversor de energia ondas, foi determinado o tamanho ótimo da turbina do tipo Wells e foram implementados sistemas de controle de pressão na câmara e de rotação da turbina para que o equipamento opere na máxima geração de energia possível. Para a característica ondulatória local, o diâmetro da turbina ótima foi de 2,25 m e a potência mecânica gerada por unidade de CAO foi de 36,48 kW. Nessa situação, o equipamento opera com eficiência média de 54,45 %. Entretanto, verificou-se que a eficiência é variável de acordo com as características das ondas incidentes. Mostrando a importância da otimização do equipamento levando em conta as características ondulatórias do local de implementação da coluna de água oscilante.
- ItemMétodo numérico simplificado para determinação das curvas de potência mecânica de turbina wells instalada em dispositivo para captação da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante sob incidência de ondas monocromáticas(2015) Torres, Fernando Ramos; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasA comunidade mundial está consciente da necessidade de aumentar a participação das energias limpas na matriz energética mundial. Uma quantidade bastante relevante de energia limpa está armazenada nas ondas oceânicas. Atualmente o aproveitamento da energia das ondas oceânicas ainda representa uma fronteira tecnológica a ser explorada. Ao longo dos últimos 30 anos, pesquisadores têm se dedicado ao desenvolvimento do dispositivo para conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante - CAO. Neste trabalho é apresentado um modelo numérico simplificado para estimativa da conversão de energia em um dispositivo CAO sob incidência de ondas monocromáticas. O modelo está baseado na metodologia apresentada por Josset e Clément (2007). Para sua aferição são utilizados resultados gerados por um modelo mais robusto, o modelo Fluinco, que trata de problemas de escoamentos incompressíveis a partir das equações de Navier-Stokes e que emprega o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos. No modelo simplificado aferido, são geradas curvas de potência mecânica para turbinas com diâmetros entre 1,5 m a 2,75 m sob incidência de ondas monocromáticas de 1 m de altura e períodos de 6 s, 9 s e 12 s. As turbinas consideradas, do tipo Wells, têm geometria semelhante à turbina da central de Pico, Açores, Portugal. Com base na resposta do dispositivo sob incidência de ondas de 1 m de altura, são estimadas as respostas para ondas de 1,75 m e 2,5 m e mesmos períodos. Finalmente é exemplificada a utilização do modelo simplificado, na seleção do tamanho da turbina para uma distribuição de ondas monocromáticas.
- ItemAnálise numérica do princípio de funcionamento do conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo placa submersa(2014) Seibt, Flavio Medeiros; Isoldi, Liércio André; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasA crescente demanda por produção de energia elétrica e a necessidade de preservação dos recursos naturais, tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de conversão de baixo impacto ambiental. O potencial energético dos oceanos está distribuído sob diferentes formas, das quais a energia das ondas se destaca por concentrar a maior parte deste recurso. O dispositivo de placa submersa consiste em uma placa horizontal, plana e imersa sob a superfície do mar. A passagem das ondas sobre essa estrutura origina um escoamento horizontal, sob a placa, que alterna constantemente de sentido. Esse escoamento pode ser aproveitado como propulsão para uma turbina hidráulica, fazendo com que o dispositivo atue como um conversor de energia das ondas do mar. Este estudo apresenta uma análise numérica do princípio de funcionamento deste equipamento, isto é, sem considerar a presença da turbina abaixo da placa. Para isso, foram realizadas avaliações da influência de parâmetros geométricos da placa submersa e características das ondas incidentes no dispositivo com relação a sua eficiência de conversão de energia. Para as simulações numéricas foi utilizado um domínio bidimensional que se baseia no modelo multifásico Volume of Fluid (VOF), para o tratamento da região de interface água-ar. O domínio computacional foi construído e discretizado (geração da malha) no software GAMBIT, enquanto a solução das equações que regem o problema foi realizada com o software FLUENT, que utiliza o Método de Volumes Finitos (MVF) para obtenção de um sistema algébrico de equações. As ondas foram geradas por uma condição de contorno de velocidade variável no tempo, impondo as componentes horizontal e vertical de velocidade das partículas de fluido, com base na teoria de ondas de Stokes de 2a ordem. A análise do escoamento sob a placa submersa permitiu observar que as magnitudes da velocidade e da vazão mássica são maiores nos casos em que a placa tem menor comprimento e é posicionada próxima a superfície. Os resultados indicaram que dependendo das características do dispositivo (construtivas, de instalação e operacionais) é possível atingir uma eficiência em torno de 35 %.
- ItemAnálise numérica de um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante através de um modelo baseado nas equações de navier-stokes(2012) Davt, Djavan Perez; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasO aumento da população mundial, o crescimento do consumo de energia per capita, a maior conscientização global no que concerne às questões ambientais, associado às indicações de diminuição das reservas mundiais de petróleo, têm alavancado o interesse por fontes de energia alternativas. A energia proveniente das ondas oceânicas perfila-se neste contexto como uma alternativa “limpa” e renovável, dentre outras. Sendo assim, o estudo de formas de converter este tipo de energia em energia útil e o aperfeiçoamento das formas existentes são problemas de engenharia complexos e de grande importância para a sociedade atual. Nesta dissertação, foi investigado o equipamento do tipo coluna de água oscilante onshore em um canal de profundidade de 10m e sujeito às ondas de alturas iguais a 1m e períodos que variam de 4s a 15s. As análises numéricas foram realizadas através do modelo FLUINCO que trata de problemas de escoamentos incompressíveis baseado nas equações de Navier-Stokes e que emprega o método Semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos. Para tal, foi necessário implementar um modelo aerodinâmico no código, baseado na metodologia apresentada por Josset e Clément. O trabalho foi dividido em duas fases. A primeira de comparação dos resultados do FLUINCO com os do modelo FLUENT, simulados por Ramalhais e os das soluções analíticas da eficiência do dispositivo, apresentadas por Evans e Porter. As comparações com o FLUENT mostraram a similaridade dos resultados obtidos por ambos os modelos em termos das variáveis do escoamento. No que se refere à eficiência do dispositivo, constatou-se um comportamento semelhante aquele previsto analiticamente, apenas o FLUINCO apresentou eficiências de magnitudes um pouco inferiores, também previstas por outros autores. A segunda fase consistiu na investigação da geometria e da relação característica da turbina os quais proporcionam o melhor desempenho do dispositivo. Com as variações do comprimento submerso da parede frontal, do comprimento da câmara, da relação característica da turbina e da altura da câmara, sugeriu-se o melhor dispositivo para as incidências de ondas propostas.