Estudo numérico bidimensional de um conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica tipo coluna de água oscilante em escala real : uma abordagem com constructal design

Abstract

O presente trabalho tem como proposta um estudo numérico bidimensional de um conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica. O princípio operacional é baseado no dispositivo coluna d’água oscilante (CAO). O principal objetivo do trabalho é otimizar a geometria de uma câmara CAO submetida a uma onda com características em escala real. Para isso será empregado o método Constructal Design, baseado na Teoria Constructal de Adrian Bejan. A Lei Constructal afirma que para um determinado sistema persistir ao longo do tempo (sobreviver), sua configuração geométrica deve evoluir de forma a facilitar o acesso das correntes do fluxo através deste sistema. Para tanto, os graus de liberdade H1/L (razão entre altura e comprimento da câmara CAO) e H3 (profundidade do dispositivo CAO) serão variados, enquanto o grau de liberdade H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída) será mantido fixo. Além disso, a área total e a área da câmara CAO serão mantidas constantes, consideradas as restrições geométricas do problema. O modelo multifásico Volume Of Fluid é aplicado para representar a interação entre a água e o ar. O domínio computacional é representado por um dispositivo CAO acoplado num tanque de ondas. Para a solução numérica é utilizado o código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos. Os resultados obtidos levaram a uma indicação teórica sobre a geometria da câmara, que maximiza a potência do dispositivo, apresentando o melhor resultado entre os casos estudados em H3 = 9,25 m e H1/L = 0,1044. O pior caso aconteceu em H3 = 9,0 m e H1/L = 0,0206. A forma sugerida é aproximadamente 10 vezes mais eficiente do que a pior geometria, indicando a boa aplicabilidade do método Constructal na área da engenharia.

The present paper proposes a two-dimensional numerical study of an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy. The operational principle is based on the Oscillating Water Column (OWC) device. The main goal is to seek for the best geometry of an OWC chamber when it is subjected to a defined wave climate in real scale. The method Constructal Design is employed, based on Constructal theory by Adrian Bejan. The Constructal law states that for a given system to persist in time (to survive) it’s geometric configuration must evolve to facilitate the access of the current that flow through this system. For this purpose, degrees of freedom (DOF) H1/L (ratio between height and length of OWC chamber) and H3 (lip submergence) are varied, while the degree of freedom H2/l (ratio between height and length of chimney outlet) is held fixed. Moreover, the chamber and total areas of OWC device are also kept fixed, being the problem constraints. The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The computational domain is represented by an OWC device coupled in a wave tank. For the numerical solution is used the commercial code of Computational Fluid Dynamics (CFD) FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The results led to a theoretical statement about the geometry of the chamber, which maximizes the efficiency of the device showing the best result, where H3 = 9.25 m and H1/L = 0.1044. The worst case happened in H3 = 9,0 m and H1/L = 0,0206. The optimal shape is approximimately 10 times more power than the worst geometry, presenting the good applicability of the method Constructal in the engineering area.