تحليل عملكرد و بررسي نيروهاي وارد بر مبدل انرژي امواج دريا بر مبناي ستون نوساني آب تحت اثر موج منظم به روش عددي

Performance analysis and investigation of the forces acting on the sea wave energy converter based on an oscillating water column under regular wave by numerical method

در اين پژوهش يك مبدل انرژي امواج بر پايه‌ي ستون نوساني آب با استفاده از روش عددي شبيه‌سازي شده است. معادلات متوسط‌گيري شده‌ي ناوير-استوكس با بكارگيري روش عددي مبتني بر ديناميك سيالات محاسباتي و استفاده از كد متن‌باز اوپن‌فوم حل شده است. حلگر مناسب براي در نظر گرفتن اثرات سطح آزاد و همچنين اثرات آشفتگي جريان بر حل مسئله انتخاب شده است. صحت‌سنجي حل عددي بر مبناي نتايج آزمايشگاهي معتبر و براي مسئله‌ي دوبُعدي انجام گرفته است. مواردي نظير تغييرات سطح آزاد آب داخل مبدل، مقدار فشار و همچنين بازده‌ي مبدل ارائه شده و اثرات شرايط امواج منتشر شده در تانك عددي بر عملكرد هيدروديناميكي اين مبدل مورد ارزيابي قرار گرفت. همچنين نيروهاي وارد بر مبدل در شرايط مختلف ارائه شده و مي‌تواند در طراحي مبدل بعنوان يك سازه‌ي ساحلي به‌كار گرفته شود. استفاده از روش حاضر و توليد موج منظم در تانك عددي و شبيه‌سازي دقيق رفتار هيدرودينامي مبدل و بررسي جزئيات دقيق جريان سيال كه در تحليل تجربي قابل ارزيابي نمي‌باشد، باعث ارائه‌ي يك راه حل دقيق و مناسب براي دستيابي به بهترين ابعاد و جانمائي اين مبدل در شرايط واقعي دريا مي‌گردد. نتايج دقيق شبيه‌سازي عددي در مقابل داده‌هاي تجربي موجود و امكان تحليل دقيق جزئيات جريان در مقابل پژوهش‌هاي آزمايشگاهي از نقاط برجسته‌ي اين مطالعه مي‌باشد.

In this study, a wave-energy converter based on the Oscillating Water Column is simulated using numerical method. Reynolds averaged Navier-Stokes equations are solved by applying a numerical method based on computational fluid dynamics and using an open source OpenFOAM code. A suitable solver for considering the effects of free surface as well as the effects of turbulence is chosen. Numerical validation was performed based on the published experimental results and for a 2D problem. The changes in the water free surface inside the converter, the air pressure as well as the converter efficiency were presented and the effects of the wave parameters on the hydrodynamic performance of the converter were evaluated. Also, the forces acting on the OWC in different conditions are presenterd and can be used in the design of coastal structures. Using the current method and generating regular waves in a numerical tank, and accurately simulating the hydrodynamic characteristics of the converter, and examining the exact parameters of fluid that is not measurable in the experimental analysis, provides a precise and appropriate solution for achieving the best dimensions and location of the converter in terms of the real sea conditions. The accurate results of numerical simulation against the available experimental data and the possibility of detail analysis of flow characteristics versus experimental measurements are highlights of this study.