Estudo numérico de um dispositivo de aproveitamento de energia das ondas utilizando o método SPH

Abstract

A interação onda-dispositivos de aproveitamento de energia das ondas (WECs - wave energy converters) carateriza-se por um conjunto de fenómenos físicos bastante complexos, incluindo a interação da onda com o WEC e a interação do WEC com o sistema de extração de energia (PTO - power take-off). Não obstante, na literatura, os WECs são normalmente simulados usando modelos numéricos simplificados, isto é, não resolvendo explicitamente as interações WEC-PTO. Estas simplificações podem levar à imprecisões importantes das características do escoamento e consequentemente à amplificação das respostas dinâmicas dos WECs e à sobrestimação da energia extraída. Portanto, é necessário ainda desenvolver e validar ferramentas que permitam simular com precisão as interações onda-WEC-PTO. O objetivo principal desta dissertação é aplicar, validar e demonstrar a aplicabilidade do código numérico DualSPHysics na simulação numérica de WECs. O modelo numérico usado, baseia-se na implementação da biblioteca do Project Chrono no código DualSPHysics, onde DualSPHysics resolve a interação onda-WEC e o Project Chrono resolve a interação WEC-PTO. O código DualSPHysics baseia-se no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para resolver as equações da dinâmica dos fluidos. Este método permite simular de forma natural escoamentos não-lineares com grandes deformações da superfície livre e evoluções topológicas complexas. O Project Chrono é uma plataforma independente de simulação multi-física implementado em C++. A sua biblioteca permite simular mecanismos envolvendo praticamente todos os tipos de geometrias, contatos e restrições mecânicas, com por exemplo: dispositivos compostos por diversos corpos rígidos e/ou flexíveis, com colisões, adesões, acoplamentos, articulações, motores e com graus de liberdade arbitrários. Nesta dissertação a validação do modelo numérico foi feita através da comparação dos resultados numéricos com dados experimentais da hidrodinâmica de um Oscillating Wave Surge Converter (OWSC). Estes dados experimentais foram retirados de Brito et al. (2017) e Schmitt et al. (2016). Verificou-se que os resultados numéricos da rotação do OWSC e da elevação da superfície livre obtidos apresentam boa concordância com os dados experimentais, entretanto o modelo numérico subestima em 8% a elevação da superfície livre e consequentemente a rotação do OWSC. Esta diferença é causada pela dissipação viscosa excessiva do método SPH que provoca menor altura da onda nas zonas adjacente ao OWSC.