Estudo numérico da geometria de um dispositivo galgamento onshore em escala real empregando Constructal Design

Abstract

O estudo a respeito das tecnologias e princípios de funcionamento de dispositivos de conversão de energia das ondas em energia elétrica tem crescido sensivelmente. Entre os conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica (WEC – do inglês: Wave Energy Converter) está o dispositivo de galgamento. O seu princípio físico de funcionamento consiste em uma rampa que guia a água das ondas incidentes para um reservatório localizado acima do nível médio do mar. A água acumulada no reservatório escoa através de uma turbina de baixa queda gerando energia elétrica. No presente trabalho é realizado um estudo numérico relacionado ao efeito da geometria da rampa sobre o desempenho de um dispositivo de galgamento onshore em escala real, empregando Constructal Design. O principal propósito aqui é verificar quais geometrias para a rampa (razão entre a altura e comprimento da rampa: H1/L1) maximizam a quantidade de massa de água que entra no reservatório do dispositivo para várias distâncias entre o fundo do dispositivo e o fundo do tanque (S) onde o mesmo foi inserido. Vale destacar que, neste trabalho, é avaliado apenas o princípio físico de funcionamento do dispositivo. Consequentemente, as geometrias ótimas obtidas aqui servem como uma recomendação teórica para futuros estudos e construções desse tipo de conversor de energia das ondas. Nas presentes simulações, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica são resolvidas com o método dos volumes finitos (MVF). Para abordar a mistura água e ar, o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é empregado. O emprego do Constructal Design permitiu aumentar significativamente o desempenho fluidodinâmico do dispositivo para todas as profundidades analisadas. Os resultados mostraram que as melhores geometrias são obtidas para as menores razões de H1/L1 para todas as profundidades analisadas, contrariamente ao que foi observado em estudos preliminares da literatura para um dispositivo no meio do canal em escala de laboratório que simulava um dispositivo de galgamento do tipo offshore. Também foi observado que não há uma geometria universal ótima que conduz a maior massa de água que entra no reservatório para as várias profundidades estudadas. Neste estudo, conforme esperado, a diminuição de S conduziu a um aumento da massa de água máxima que entra no reservatório (mm) e da razão H1/L1 ótima, (H1/L1)o.The study about technologies and operational principles of devices to convert wave energy into electrical one has increased significantly. Among the existing wave energy converters (WEC) is the overtopping device. Its main operational principle consists of a ramp which guides the incoming waves into a reservoir raised slightly above the sea level. The accumulated water in the reservoir flows through a low head turbine generating electricity. In the present work it is performed a numerical study concerned with the effect of ramp geometry over the performance of an onshore overtopping device in real scale by means of Constructal Design. The main purpose here is to verify the geometries for the ramp (ratio between the height and length of ramp: H1/L1) which maximizes the amount of water that enters into device reservoir for several distances from the bottom of the tank to the bottom of device (S) where the device is inserted. It is worthy to mention that, in this work, it is evaluated only the main operational principle of device. In this sense, the optimal geometries obtained here theoretically guides future studies and buildings of this kind of wave energy converter. In the present simulations, the conservation equations of mass, momentum and one equation for the transport of volumetric fraction are solved with the finite volume method (FVM). To tackle with water-air mixture, the multiphase model Volume of Fluid (VOF) is used. Constructal Design allowed a strong improvement of device fluid dynamic performance for all analyzed submergences. Results showed that the best shapes were achieved for the lowest ratios of H1/L1 for all analyzed depths S, contrarily to what was observed in previous studies of literature for a device in laboratory scale in the middle of a wave tank mimicking an offshore overtopping device. It was also noticed the non-occurrence of an optimal universal geometry which leads to the highest amount of water entering into reservoir for all studied depths (S). In the present study, as expected, the decrease of S led to an increase of water mass once maximized which enters into reservoir (mm) and the increase of optimal ratio H1/L1, (H1/L1)o.