مطالعه عددي رفتار يك مبدل انرژي موج كروي غوطه‌ور تحت تأثير امواج غير خطي

Numerical study of the behavior of an immersed spherical wave energy converter subjected to nonlinear waves

استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير از جمله انرژي دريا يكي از مباحث اصلي و كليدي در اقتصاد درياپايه مي‌باشد. يكي از تجهيزات كليدي در مباني انرژي‌هاي تجديدپذير و خصوصاً انرژي دريا، مبدل‌هاي انرژي امواج مي‌باشند. در اين پژوهش، معادلات ناوير استوكس به منظور بررسي رفتار يك مبدل انرژي موج كروي غوطه‌ور تحت تأثير امواج غير خطي حل شده‌اند. همچنين از روش حجم كنترل و روش حوزه حل مجازي جهت انجام شبيه‌سازي استفاده شده است. رژيم جريان در مطالعه حاضر آرام فرض شده است. همچنين از روش كسر حجمي سيال جهت شبيه‌سازي حركت سطح آزاد سيال استفاده شده است. در اين پژوهش اثرات پارامترهاي مختلف از جمله چگالي جسم غوطه‌ور، نوع تحريك، ميزان ارتفاع آب موجود در مخزن و سطح مقطع مخزن بر رفتار مبدل انرژي موج غوطه‌ور مطالعه شده است. جهت قابل قياس بودن نتايج عددي بدست آمده، حجم سيال مورد بررسي در تمامي حالت‌ها يكسان مي‌باشد. به منظور بررسي دقت روش به كار رفته، نتايج عددي پژوهش حاضر با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده است كه نشان دهنده دقت بالاي روش عددي به كار رفته مي‌باشد. با توجه به نتايج عددي بدست آمده، تنظيم مبدل انرژي موج بر اساس نظريه خطي زماني كه تحت تأثير امواج تند باشد، اصلاً رضايت بخش نمي‌باشد. همچنين ميزان كاهش تلاطم مخزن تحت اسلاشينگ در حالت تحريك هامونيك نسبت به حالت تحريك خطي بيشتر مي‌باشد. به عبارت ديگر ميزان انرژي ذخيره شده مبدل انرژي موج در حالت تحريك هارمونيك بيشتر مي‌باشد. ميزان كاهش انرژي جنبشي سيال در حالت تحريك هارمونيك و خطي به ترتيب 25 و 60 درصد مي‌باشد. همچنين با افزايش سطح مقطع مخزن ميزان اثر بخشي مبدل انرژي موج به منظور كاهش تلاطم مخزن افزايش مي‌يابد.

The use of renewable energy, including sea energy, is one of the main and key issues in the marine economy. Wave energy converters are one of the key equipments in the basics of renewable energy and especially sea energy. In this research, Navier-Stokes equations have been solved in order to investigate the behavior of an immersed spherical wave energy converter under the influence of nonlinear waves. The control volume method and the virtual solution domain method have been used to perform the simulation. The flow regime in the present study is assumed to be laminar. The Volume of Fluid approach has been used to simulate the movement of the free surface of the fluid. In this research, the effects of various parameters such as the density of the submerged object, the type of excitation, the height of the water in the tank and the cross section of the tank on the behavior of the submerged wave energy converter have been studied. In order to check the accuracy of the applied method, the results of the present study have been compared with the existing laboratory results, which shows the high accuracy of the used numerical method. The adjustment of the wave energy converter based on the linear theory when it is affected by fast waves is not satisfactory at all. Also, the rate of reduction of tank turbulence under sloshing in the harmonic excitation mode is higher than in the linear excitation mode. The amount of fluid kinetic energy reduction in harmonic and linear excitation is 25% and 60%, respectively. Also, by increasing the cross section of the tank, the effectiveness of the wave energy converter increases in order to reduce the turbulence of the tank.