بررسي عددي جذب انرژي از امواج نامنظم غير خطي توسط استوانه بريستول

A Numerical Investigation on Energy Absorption from Irregular Water Waves using Bristol Cylinder

در اين پژوهش رفتار استوانه جاذب انرژي امواج به عنوان يكي از سامانه‌هاي جذب انرژي تجديدپذير در برابر امواج نامنظم غير خطي به صورت عددي و با استفاده از حل كامل معادلات ناوير- استوكس شبيه‌سازي شده است. براي اين منظور از روش حجم كنترل و تركيب آن با روش حوزه حل مجازي براي شبيه‌سازي و رديابي جسم جامد در محيط سيال و از روش گام زماني جزئي دو مرحله‌اي براي جداسازي معادلات پيوستگي و مومنتوم استفاده شده است. نتايج اين پژوهش نشان مي‌دهد كه با وجود جذب انرژي توسط استوانه بريستول در دو راستاي عمودي و افقي، راندمان جذب انرژي توسط اين استوانه در امواج نامنظم غير خطي حدود 8 درصد مي‌باشد. با توجه به بررسي صورت گرفته بر روي ثابت فنر و ضريب ميرايي در سيستم جذب انرژي اين استوانه مشخص شد كه كاهش راندمان جذب انرژي در اين سامانه‌ها به علت محدود بودن فركانس طبيعي اين سيستم به يك فركانس مشخص مي‌باشد. همچنين نتايج نشان مي‌دهد كه در امواج با تيزي و عمق زياد، راندمان حداكثر جذب انرژي در ثابت فنر بيشتر و ضريب ميرايي كمتر و در امواج با عمق و تيزي متوسط، راندمان حداكثر در ثابت فنر كمتر و ضريب ميرايي بيشتر رخ خواهد داد. بنابراين جهت جذب انرژي حداكثر از امواج نامنظم غير خطي، علاوه بر تعيين دقيق اين ضرايب بر اساس دوره تناوب و ارتفاع موج برخوردي با استوانه، استفاده از سامانه‌هاي جذب انرژي با چند فركانس طبيعي و يا استفاده همزمان از چند استوانه با فركانس‌هاي طبيعي مختلف پيشنهاد شده است.

In this study, the performance of a cylinder absorbing wave energy from irregular incident waves, as one of the renewable energy systems, is investigated numerically using complete solution of the Navier-Stokes equations. For this purpose, the control volume approach in conjunction with the fictitious domain method, for modeling the solid object motions inside fluid, are used where a two-step projection method is used to solve the governing equations. The results show that despite the cylinder absorbs energy in two main directions, its energy absorption efficiency in irregular waves is about 8%. Due to the employed spring and damper in these devices, the system has only one natural frequency which is the reason for its low efficiency at irregular waves. Results also show that for steep waves at deep waters, the maximum efficiency occurs at larger spring coefficient and smaller damping coefficients, while at moderate water depths and wave steepness, the maximum efficiency occurs at smaller spring coefficients and larger damping coefficients. Therefore, to reach maximum energy absorption efficiency at irregular waves, not only these coefficient has to be adjusted carefully, but also it is recommended to use multi-resonance systems or several cylinders with different natural frequencies.