Avaliação geométrica de uma estrutura acoplada a um conversor de energia das ondas onshore do tipo galgamento aplicando o design construtal

Abstract

No 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.In the present work, a numerical study was carried out of a geometrical evaluation of an overtopping wave energy conversion with a coupled structure (a trapezoidal obstacle) mounted on the seabed of a real scale wave tank by means of Constructal Design. The operating principle of overtopping device is simulated, which consists on the water accumulation into a reservoir raised above the sea level for posterior conversion in low head hydraulic turbines. The main purpose here is to evaluate the design of the overtopping which maximizes the available power in the device. The problem studied has been submitted to three constraint areas: overtopping ramp (AT), seabed placed trapezoidal obstacle (φr = Ar/AT) and total tank area (At) and four degrees of freedom: ratio between the height and length of tank (HT/LT), ratio between the height and length of ramp (H3/L3) (or ramp slope), distance between the bottom of wave tank and the device (H1) and ratio between minor and major basis of trapezoidal obstacle (L1/L2). In the present study, the effects of the H3/L3 and L1/L2 over the mass that enters into the reservoir are investigated. Conservation equations of mass, momentum and one equation for the transport of water volume fraction are solved with the finite volume method. To tackle with water-air mixture, multiphase model Volume of Fluid is used. Results showed that the association of a structure coupled to the ramp of an overtopping device can improve the performance of overtopping device by 30% compared to a conventional overtopping device. The insertion of the obstacle contributed to the performance of the overtopping device, however H3/L3 has greater effect than L1/L2 on the performance indicator. Finally, the lower ratio H3/L3 associated with intermediate magnitudes of L1/L2, that is, a trapezoidal ramp, conducted to the best performance of the device.