Modelagem computacional da propagação de espectro de ondas em tanques

Abstract

Em engenharia existem, fundamentalmente, três ferramentas para desenvolvimento de projetos e análises de problemas, métodos analíticos, métodos numéricos e experimentais. Os trabalhos experimentais de Engenharia Oceânica e Naval tem usado tanques de ondas. No entanto, considerando o avanço dos computadores e dos modelos numéricos atualmente, na literatura, há diversos estudos considerando tanque de ondas para a simulação numérica. Desta forma os pesquisadores tem cada vez mais utilizado a modelagem computacional para analisar os processos oceânicos, uma vez que a simulação numérica é uma importante metodologia na execução de um projeto de engenharia, pois o experimental muitas vezes não é possível, seja pelo elevado custo financeiro e até mesmo por segurança. Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de espectro de ondas em tanques numérico. O objetivo é obter recomendações sobre a discretização espacial e temporal, influência do número de componentes de ondas no espectro de ondas, a influência da profundidade da superfície livre e a influência do número de pontos considerados para a montagem da curva de densidade de energia através da Transformada Rápida de Fourier. Para tanto é considerado um espectro de ondas do tipo Pierson-Moskowitz, com altura e período significativos definidos. Além disso, uma importante atualização no modelo computacional é a eliminação da reflexão das ondas através de uma região de amortecimento, chamada de praia numérica. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT® baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). A geometria e a geração da malha são desenvolvidas no software GAMBIT®. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. As recomendações obtidas, principalmente para a discretização espacial e temporal, indicam que é possível reproduzir numericamente a propagação de espectro de ondas em tanques com acurácia. Com isto, entende-se que este trabalho poderá ser utilizado como referencial, principalmente no estudo numérico de dispositivos conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica, pois com as recomendações obtidas é possível simular computacionalmente espectro de ondas em tanques de ondas, o que representa um modelo mais realístico.

In engineering there are fundamentally three tools for project development and problem analysis, analytical methods, numerical and experimental methods. The experimental works of Oceanic and Naval Engineering have used wave tanks. However, considering the advancement of computers and numerical models currently, in the literature, there are several studies considering a wave tank for numerical simulation. In this way researchers have increasingly used computational modeling to analyze oceanic processes, since numerical simulation is an important methodology in the execution of an engineering project, since the experimental is often not possible, either because of the high financial cost or even for security. In this sense, the present work presents a methodology of numerical simulation of wave spectrum in numerical tanks. The objective is to obtain recommendations on the spatial and temporal discretization, influence of the number of wave components on the wave spectrum, influence of the free surface depth and the influence of the number of points considered for the assembly of the energy density curve through of the Fast Fourier Transform. For this, a Pierson-Moskowitz-type wave spectrum, with defined height and period, is considered. In addition, an important update in the computational model is the elimination of the reflection of the waves through a region of cushioning, called numeric beach. For the numerical solution, a computational fluid dynamics code, FLUENT®, is used based on the Finite Volume Method (MVF). Geometry and mesh generation are developed in GAMBIT® software. The Multiphase Volume of Fluid (VOF) model is applied in the treatment of water-air interaction. The recommendations obtained, mainly for spatial and temporal discretization, indicate that it is possible to reproduce numerically the propagation of wave spectrum in tanks with accuracy. With this, it is understood that this work can be used as a reference, mainly in the numerical study of sea wave energy converters in electric energy, because with the recommendations obtained it is possible to simulate the wave spectrum in tanks of waves, which represents a more realistic model.