Departamento de Hidráulica e Ambiente
Projetos - DITOWEC - Desenvolvimento de uma Ferramenta Integrada para Modelação Numérica de Conversores de Energia das Ondas de tipo Coluna de Água Oscilante integrados em Quebra-mares Verticais
O objetivo do projeto DITOWEC é o desenvolvimento de uma Ferramenta Integrada inovadora através do acoplamento dos modelos SWAN e COULWAVE, para a propagação das ondas do largo até á zona costeira, e dos modelos FLUENT e IH2VOF, que são modelos URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes), para o estudo da interação onda-estrutura, da hidrodinâmica e da aerodinâmica no dispositivo de CAO.
Esta Ferramenta Integrada será validada com dados de ensaios experimentais em modelo físico reduzido a realizar num canal de ondas do LNEC. Posteriormente será aplicada a um caso real de dispositivo de CAO, a central do Pico, Açores (Portugal), considerando o regime de ondas e a batimetria locais.
Esta Ferramenta Integrada será validada com dados de ensaios experimentais em modelo físico reduzido a realizar num canal de ondas do LNEC. Posteriormente será aplicada a um caso real de dispositivo de CAO, a central do Pico, Açores (Portugal), considerando o regime de ondas e a batimetria locais.
SUMÁRIO
Os quebra-mares desempenham as funções de dissipação de energia das ondas marítimas incidentes e de proteção, assegurando níveis de agitação reduzidos nas bacias portuárias, nas embocaduras e em canais de navegação de acesso aos portos, permitindo a entrada e saída de embarcações em segurança. Para além destas funções associadas aos quebra-mares, tem vindo a ser equacionada uma função complementar: serem suporte de centrais de aproveitamento de energia das ondas para produção de eletricidade. Um exemplo é a utilização da tecnologia de Coluna de Água Oscilante (CAO), na qual o movimento ascendente e descendente da superfície livre na câmara hidropneumática induz um escoamento de ar que provoca a rotação de uma turbina acoplada a um alternador.
Este tipo de dispositivo de aproveitamento de energia das ondas pode ser integrado, na fase de construção, num quebra-mar vertical constituído por caixotões de grandes dimensões. Esta solução inovadora encontra-se implementada, por exemplo, na central de Mutriku (Espanha).
CAO (esquerda), CAO integrada num quebra-mar, Mutriko, Espanha (direita).
CAO do Pico, Açores.
CAO do Pico – conduta de ar (a azul) onde estão instalados a turbina e o gerador.
Os quebra-mares desempenham as funções de dissipação de energia das ondas marítimas incidentes e de proteção, assegurando níveis de agitação reduzidos nas bacias portuárias, nas embocaduras e em canais de navegação de acesso aos portos, permitindo a entrada e saída de embarcações em segurança. Para além destas funções associadas aos quebra-mares, tem vindo a ser equacionada uma função complementar: serem suporte de centrais de aproveitamento de energia das ondas para produção de eletricidade. Um exemplo é a utilização da tecnologia de Coluna de Água Oscilante (CAO), na qual o movimento ascendente e descendente da superfície livre na câmara hidropneumática induz um escoamento de ar que provoca a rotação de uma turbina acoplada a um alternador.
Este tipo de dispositivo de aproveitamento de energia das ondas pode ser integrado, na fase de construção, num quebra-mar vertical constituído por caixotões de grandes dimensões. Esta solução inovadora encontra-se implementada, por exemplo, na central de Mutriku (Espanha).
CAO (esquerda), CAO integrada num quebra-mar, Mutriko, Espanha (direita).
CAO do Pico, Açores.
CAO do Pico – conduta de ar (a azul) onde estão instalados a turbina e o gerador.
A Ferramenta Integrada, embora desenvolvida no âmbito do aproveitamento da energia das ondas, tem por objetivo ser uma ferramenta numérica de apoio a projetos de obras marítimas onde existem interações onda-estrutura e fenómenos não lineares importantes entre a hidrodinâmica e/ou a aerodinâmica em dispositivos de CAO.
METODOLOGIA
A Ferramenta Integrada baseia-se na seguinte metodologia:
RESULTADOS
1 - Modelação física no canal de ondas
Os objetivos principais dos ensaios são o estudo das características hidrodinâmicas da CAO e a validação dos modelos numéricos.
Utilizou-se uma geometria simplificada: uma câmara aberta, que possibilita a entrada e saída de ar da câmara.
A escala geométrica é de 1:35 de modo a minimizar os efeitos de escala.
Os ensaios foram realizados num canal de ondas do LNEC, com um comprimento de 50 m e largura e profundidade operativas de 80 cm.
Canal de ondas do LNEC.
Séries temporais de elevação da superfície livre para os dados experimentais e resultados numéricos (FLUENT e IH2VOF) para T=0.89 s e H=0.038 m, na sonda G7.
Fator de amplificação (esquerda) e sloshing (direita) para a CAO com a câmara aberta: comparação entre ensaios em modelo físico e o modelo IH2VOF.
IH2VOF: elevação da superfície livre (esquerda) e campo de velocidades (direita) para H=0.038 m e T=1.6 s
FLUENT: campo de velocidades para H=0.038 m e T=1.0 s.
METODOLOGIA
A Ferramenta Integrada baseia-se na seguinte metodologia:
- Ensaios em modelo físico num dos canais de ondas do LNEC;
- Análise detalhada dos modelos URANS usados na modelação dos processos hidrodinâmicos (interação onda-estrutura, propagação da onda) e aerodinâmicos (movimento do ar na câmara pneumática e na turbina), como a convergência da malha para fluidos hidrodinâmicos e aerodinâmicos, a precisão dos esquemas numéricos, o tempo computacional, a aplicação do método do volume dos fluidos (VOF) e do método Lagrangeano-Euleriano Arbitrário (ALE) para representação da propagação e rebentação da onda, entre outros fenómenos;
- Validação dos modelos URANS e dos modelos da Ferramenta Integrada com dados dos ensaios em modelo físico realizados em canal no LNEC;
- Desenvolvimento de uma metodologia para o acoplamento dos modelos SWAN, COULWAVE e URANS para obtenção da Ferramenta Integrada;
- Otimização da geometria da CAO com base num modelo analítico;
- Aplicação da Ferramenta Integrada a um caso de estudo de uma CAO em funcionamento: a CAO situada na ilha do Pico, Açores (Portugal), com 400 kW de potência, considerando-se a batimetria local e o clima de agitação ao largo.
RESULTADOS
1 - Modelação física no canal de ondas
Os objetivos principais dos ensaios são o estudo das características hidrodinâmicas da CAO e a validação dos modelos numéricos.
Utilizou-se uma geometria simplificada: uma câmara aberta, que possibilita a entrada e saída de ar da câmara.
A escala geométrica é de 1:35 de modo a minimizar os efeitos de escala.
Os ensaios foram realizados num canal de ondas do LNEC, com um comprimento de 50 m e largura e profundidade operativas de 80 cm.
Canal de ondas do LNEC.
Os ensaios foram realizados para ondas regulares com uma altura de onda de 0.038 m (de modo a que não ocorresse rebentação) e para períodos de onda entre 0.67 s e 2.30 s.
Esquema do canal de ondas, câmara e posição das sondas (dimensões em metros).
Modelo físico junto à câmara para H=0.038 m, T=0.89 s (esquerda) e T=1.6 s (direita).
Esquema do canal de ondas, câmara e posição das sondas (dimensões em metros).
Modelo físico junto à câmara para H=0.038 m, T=0.89 s (esquerda) e T=1.6 s (direita).
2 - Resultados da modelação numérica
Validação dos modelos RANS através de dados experimentais, incluindo:
Validação dos modelos RANS através de dados experimentais, incluindo:
- Elevação da superfície livre, no canal e na câmara;
- Fator de amplificação, sloshing e fase dentro da câmara;
- Avaliação do desempenho da Ferramenta Integrada no estudo da central de energia das ondas do Pico.
Séries temporais de elevação da superfície livre para os dados experimentais e resultados numéricos (FLUENT e IH2VOF) para T=0.89 s e H=0.038 m, na sonda G7.
Fator de amplificação (esquerda) e sloshing (direita) para a CAO com a câmara aberta: comparação entre ensaios em modelo físico e o modelo IH2VOF.
IH2VOF: elevação da superfície livre (esquerda) e campo de velocidades (direita) para H=0.038 m e T=1.6 s
FLUENT: campo de velocidades para H=0.038 m e T=1.0 s.
PUBLICAÇÕES
FCT/UNL: José Conde, João Dias e Eric Didier
LNEC: Conceição Juana Fortes, Ana Mendonça, Maria Graça Neves e Maria Teresa Reis
- Dias, J., Mendonça, A., Didier, E., Neves, M.G. and Conde, J.M.P. (2015). "Application of URANS-VOF models in hydrodynamic study of oscillating water column”. SCACR2015 – International Short Course/Conference on Applied Coastal Research. 28th September – 1st October 2015 – Florence, Italy (in press). Doi: 10.13140/RG.2.1.5135.8249.
- Didier, E., Dias, J., Teixeira, P.R.F. and Neves, M.G. (2015). "Numerical modeling of an oscillating water column using Smoothed Particle Hydrodynamics method”. COBEM 2015 – ABCM International Congress of Mechanical Engineering, Rio de Janeiro, Brazil, 6-11 December 2015.
- Mendonça, A., Jalon, M.L., Correia, R., Dias, J., Neves, M.G. and Didier, E. (2015). "Design optimization of an oscillating water column wave energy converter. Analytical and numerical modeling”. SCACR2015 – International Short Course/Conference on Applied Coastal Research. 28th September – 1st October 2015 – Florence, Italy (in press). Doi: DOI: 10.13140/RG.2.1.4709.8405.
- Reis, M.T., Didier, E., Dias, J., Mendonça, A., Conde, J.M.P., Neves, M.G., Fortes, C.J.E.M. and Teixeira, P.R.F. (2015). "Development of an Integrated Tool for Numerical Modelling of OWC-WECs in Vertical Breakwaters". 2nd International Workshop on Hydraulic Structures: Data Validation, IAHR. Coimbra, Portugal, 7-9 May 2015, R.F. Carvalho & S. Pagliara (Eds.), pp. 185-194. ISBN: 978-989-20-5792-7.
FCT/UNL: José Conde, João Dias e Eric Didier
LNEC: Conceição Juana Fortes, Ana Mendonça, Maria Graça Neves e Maria Teresa Reis
Ano: 2013-2015
Coordenador(es):
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Entidade(s) Financiadora(s):
Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)
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