Análise numérica da configuração geométrica em dispositivos de conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante considerando uma turbina de impulso

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre a investigação geométrica de um dispositivo de conversão de energia das ondas dos oceanos do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), considerando uma turbina de impulso com rotação na região do duto de ar através de implementação de malha móvel. Mais precisamente, é empregado um modelo com um escoamento turbulento, transiente e incompressível de ar em um domínio bidimensional, que simula a câmara do dispositivo CAO. Nas simulações são impostas diferentes velocidades de entrada de acordo com cada geometria para que se mantenha uma mesma velocidade de ponta de pá de λ = 1.25. Primeiramente, o modelo computacional foi verificado e validado através da comparação de coeficientes de potência com os obtidos numericamente e experimentalmente na literatura para escoamentos turbulentos sobre turbinas Savonius em túnel de vento para diferentes velocidades de ponta de pá. O objetivo geral do trabalho é aplicar o Método do Design Construtal a fim de avaliar numericamente a influência da geometria da câmara trapezoidal do dispositivo sobre indicadores de performance, como a potência disponível, a potência da turbina e a eficiência. O problema é sujeito a duas restrições de área (área da região retangular da câmara do CAO e área trapezoidal de transição entre a região retangular da câmara e o duto de saída. Além disso, são investigados 2 graus de liberdade: H1/L1 (razão entre altura e comprimento da região retangular da câmara) e L2/H2 (razão entre a base menor da região trapezoidal da câmara e altura dessa região). De posse dos resultados, a geometria na qual observou-se a maior eficiência (η =0.601726) do dispositivo corresponde aos valores de L2/H2 = 1.0 e H1/L1 = 5.0. Entretanto, a eficiência não é o melhor indicador de performance para a análise do problema investigado aqui, pois conduz a geometrias ótimas não recomendadas. Assim, é recomendado o uso da potência da turbina. O desempenho da configuração ótima foi aproximadamente 10% superior a pior configuração, mostrando a importância da investigação geométrica nesse tipo de problema. Esta condição ótima foi obtida para a razão mais alta de L2/H2 testada, ao passo que a razão de L2/H2 = 0.75 forneceu menor potência quando comparada às outras.

The present work presents a numerical study about the geometric investigation of an Oscillating Water Column (OWC) wave energy conversion device type, considering an impulse turbine with rotation in the region of the air duct through mobile mesh implementation. More precisely, a model with a turbulent, transient, and incompressible flow of air in a two-dimensional domain is employed, which simulates the chamber of the OWC device. In the simulations, different initial speeds are imposed according to each geometry, to maintain the same blade tip speed of λ = 1.25. First, the computational model was verified and validated by comparing the power coefficients with those obtained numerically and experimentally from the literature for turbulent flows of Savonius turbines in a wind tunnel for different blade tip speeds. The general objective of the work is to apply the Constructal Design Method to evaluate numerically the influence of the geometry of the trapezoidal chamber of the device over performance indicators, such as available power, turbine power and efficiency. To the problem are imposed to two area restrictions (area of the rectangular region of the OWC chamber and the trapezoidal transition area between the rectangular region of the chamber and the output duct). In addition, 2 degrees of freedom are investigated, H1/L1 (ratio between height and length of the rectangular region of the chamber) and L2/H2 (ratio between the smallest base of the trapezoidal region of the chamber and height of this region). Based on the results, the geometry of the device with the highest efficiency (η =0.601726) corresponds to the values of L2/H2 = 1.0 and H1/L1 = 5.0, respectively. However, efficiency is not the best performance indicator for the analysis of the problem investigated here, as it leads to non-recommended optimal geometries. Thus, the use of turbine power is recommended. The performance of the optimal configuration was approximately 10% higher than the worst configuration, demonstrating the importance of geometric investigation in this type of problem. This optimal condition was obtained for the highest L2/H2 ratio tested, while the L2/H2 = 0.75 provided less power when compared to the others.