Análise numérica dos efeitos de compressibilidade do ar no interior da câmara de um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante

Abstract

O presente trabalho investiga a importância dos efeitos de compressibilidade do ar no interior da câmara de um dispositivo de extração da energia das ondas do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), fixo e de paredes verticais. O estudo é realizado por meio de simulações numéricas, empregando o método dos volumes finitos. As simulações são realizadas através da plataforma FLUENT®, utilizando o modelo RANS. O domínio numérico é bidimensional. São usados o modelo multifásico VoF (Volume of Fluid) e modelo de turbulência k-. Uma vez que, adotar o ar como compressível, implicaria na solução da equação da energia, aumentando substancialmente o esforço computacional, é implementado um modelo numérico alternativo, denominado como Modelo Compressível, obtido por meio da equação de estado do gás ideal e do balanço de massa no interior da câmara do dispositivo CAO. O gerador de onda, a turbina e o Modelo Compressível são aplicados por meio de funções definidas pelo usuário na plataforma FLUENT®. Os efeitos de compressibilidade do ar são analisados quanto as suas sensibilidades aos parâmetros de período da onda, altura da onda, relação característica da turbina e tipo de turbina. Os efeitos de compressibilidade do ar são mais sensíveis ao período da onda e relação característica da turbina, de forma que a eficiência pneumática pode ser reduzida na ordem de 26%. O dimensionamento do diâmetro de uma turbina Wells semelhante à de Pico, para determinado estado de mar hipotético, foi realizado. Os efeitos de compressibilidade do ar foram considerados, obtendo-se uma eficiência mecânica global de 46% para o diâmetro de 2.25 m, abaixo daquela baseada no escoamento do ar como incompressível, cuja eficiência mecânica global foi de 56%. O dimensionamento do diâmetro de uma turbina impulso também é realizado, obtendo-se uma eficiência mecânica global de 38% para um diâmetro de 2.00 m. A turbina impulso apresenta menores níveis de rotação e diâmetro do rotor, não necessitando da utilização da válvula de alívio. Tais características implicam na redução dos custos de aquisição e manutenção do equipamento.The present work investigates the importance of air compressibility effects inside the chamber of a water wave energy extractor device called Oscillating Water Column. The device is located onshore and its walls are vertical. The study is performed by means of numerical simulations, which are realized through the FLUENT® platform, using the RANS-VoF equations. The numerical domain is two-dimensional. The multiphase model VoF (Volume of Fluid) and turbulence model k- are used. Since adopting the air as a compressible fluid would imply the solution of the energy equation, what would cause a substantially increasing of the computational effort, an alternative numerical model, called here as Compressible Model, is implemented by means of the ideal gas and inside the chamber of the CAO device. The wave generator, turbine, and Compressible Model are applied by means of user-defined functions on the FLUENT® platform. The air compressibility effects are analyzed for its sensitivity to wave period, wave height, turbine damping coefficient and turbine type. The air compressibility effects are more sensitive to the wave period and turbine damping coefficient, so that the pneumatic efficiency can be reduced by the order of 26%. The dimensioning of the diameter of a Wells turbine similar to that of Pico, for a certain hypothetical sea state, was performed. The air compressibility effects were considered, obtaining an overall mechanical efficiency of 46% for the diameter of 2.25 m, lower than the value obtained when the air compressibility effects are neglected (56%). The dimensioning of the diameter of an impulse turbine is also accomplished, obtaining an overall mechanical efficiency of 38% for a diameter of 2.00 m. The impulse turbine presents lower levels of rotation and rotor diameter, not requiring the use of the relief valve. Such characteristics imply in the reduction of equipment acquisition and maintenance costs.