Análise geométrica através do design construtal de conversores de energia das ondas do mar do tipo coluna de água oscilante com câmaras hidropneumáticas acopladas

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo sobre dispositivos conversores de energia das ondas do mar do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) com câmaras hidropneumáticas acopladas. Assim, na presente investigação o objetivo, através da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, busca-se maximizar a potência hidropneumática (Phyd) disponível. São analisadas cinco configurações geométricas, sendo que em cada configuração definida ocorre a variação de onze geometrias, onde ocorre o incremento do número de câmaras acopladas a cada caso estudado. No caso com duas câmaras acopladas complementase o estudo verificando os graus de liberdade referente à altura e espessura da coluna que divide as câmaras. Considerando um domínio bidimensional, as restrições para este estudo são: os volumes de entrada dos dispositivos (VEn) e os volumes totais (VTn). Os graus de liberdade analisados foram: H2 (altura da parede que divide os dois dispositivos), e2 (espessura da parede que divide os dispositivos) e Hn/Ln (razão entre altura e largura das câmaras hidropneumáticas). Os graus de liberdade Hn/lj (razão entre altura e largura do duto da turbina) e Hdepth (profundidade de submersão) foram mantidos constantes. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com um dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos indicam que para o grau de liberdade Hn/Ln = 0,2613 (Hn = 4.1335 m e Ln = 15.8219 m) é determinado o mais alto valor para os indicadores de desempenho ([Phyd]máx = 30.8 kW, ṁ = 82,1 kg/s e P = 8820,8 Pa). Já o caso de mais baixo desempenho apresenta o grau de liberdade Hn/Ln = 0,0153 (Hn = 1 m e Ln = 65,4 m) com resultados [Phyd]máx = 257,9 W, ṁ = 6,22 kg/s e P = 454,6 Pa. Assim, verifica-se que a variação geométrica e o incremento de câmaras hidropneumáticas, tem um fator importante e decisivo na conversão energética de dispositivos do tipo CAO, destacando-se que a distribuição de energia total não é linear para os casos de mais de duas câmaras acopladas.

The present work presents studies sea wave energy converter devices of the Oscillating Water Column (OWC) type with coupled hydropneumatic chambers. Thus, in this investigation, the objective, through computational modeling and the use of Constructal Design, seeks to maximize the available hydropneumatic power (Phyd). Five geometric configurations are analyzed, and in each defined configuration there is a variation of eleven geometries, where there is an increase in the number of chambers coupled to each case studied. In the case of two coupled chambers, the study is complemented by checking the degrees of freedom regarding the height and thickness of the column that divides the chambers. Considering a two-dimensional domain, the restrictions for this study are the input volumes of the devices (VEn) and total volumes (VTn). The degrees of freedom analyzed were: H2 (height of the wall that divides the two devices), e2 (wall thickness that divides the devices) and Hn/Ln (ratio between height and length of the hydropneumatic chambers), some degrees of freedom were kept constant Hn/lj (ratio between height and length of the turbine duct). A computational fluid dynamics code is used for the numerical solution, FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The multiphase model Volume of Fluid (VOF) is applied in the treatment of water-air interaction. A wave tank represents the computational domain with a CAO device attached. The results obtained indicate that the degree of freedom Hn/Ln = 0,2613 (Hn = 4.1335 m and Ln = 15.8219 m) determines the highest value for the performance indicators. ([Phyd]máx = 30.8 kW, ṁ = 82,1 kg/s e P = 8820,8 Pa), the lowest performing case shows the degree of freedom Hn/Ln = 0,0153 (Hn = 1 m and Ln = 65,4 m) with results [Phyd]máx = 257,9 W, ṁ = 6,22 kg/s e P = 454,6 Pa. Thus, it appears that the geometric variation and the increment of hydropneumatic chambers have an important and decisive factor in the energy conversion of CAO devices, noting that the total energy distribution is not linear for cases of more than two coupled chambers.