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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2018.tde-18092018-074509
Document
Author
Full name
Fernando Mattavo de Almeida
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Assi, Gustavo Roque da Silva (President)
Orselli, Reinaldo Marcondes
Saltara, Fábio
Title in English
Numerical simulation of the flow through an aqxial tidal-current turbine employing an elastic-free-surface approach.
Keywords in English
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Free surface modelling
Ocean energy
Tidal current turbines
Abstract in English
Together with the world economic growth is the increasing of energy generation demand. However, the upgrade of world power production capability could affect the environment negatively. Even the clean and renewable sources, such as hydroelectricity and wind powers have socio-economic and environmental disadvantages. For example, the required flooded area for a hydro power plant construction could devastate entire forests, and the installation of a wind farm power plant could affect migratory rotes of birds and generate high levels of noise. Hence, for the balancing of advantages and disadvantages of each power generation source, it is necessary to diversify, which requires investments in new power sources. In this context, the energy generation in the ocean is highlighted. The first point concerning the ocean energy is that there is no need of population removal from the installation area, such as the onshore based methods and the second point is that most of the population is concentrated in coastal areas. Therefore the production occurs near to the demand, decreasing the costs with energy distribution. The two main methodologies for harassing energy from oceans are based on gravity waves and in tides. And since the tidal cycles are governed mainly by the gravitational interaction between oceans, Moon and Sun, they are easily predictable, which increases the reliability of such systems. These works explores methodologies to analyse the power generation from a single axial tidal current turbine through a Steady State RANS methodology. Are discussed the effects of flow directionality, inlet velocity profile and turbulence levels and the results are compared with an experimental scheme. It is proposed an alternative methodology for free surface modelling in the CFD analysis. The usual methodology, VOF, it is based on a homogeneous, biphasic approach which requires an additional mesh refinement and is computationally expensive. This new methodology introduces an elastic wall approach in the free surface region in which the stiffness is calculated to provide the same restoring effect as gravity. In general, the results for open domain matched with the experimental results, validating the numerical model and the confined domain has shown a higher power and thrust coefficients if compared with the open domain, which is in accordance with the actuator disk theory approach. The elastic free surface presented convergence problems related to high Froude numbers and therefore to high deformations. However, a simulation with 10% of the original inlet velocity was performed, achieving reasonable results for both power and thrust coefficients evaluation.
Title in Portuguese
Simulação numérica do escoamento através de uma turbina axial de corrente de maré utilizando uma metodologia de parede elástica para a modelagem da superfície livre.
Keywords in Portuguese
Dinâmica dos fluidos
Energia
Oceânos
Turbinas
Abstract in Portuguese
O crescimento econômico mundial e o aumento na demanda pela geração de energia andam juntos. No entanto, uma maior capacidade de produção de energia poderia afetar negativamente o meio ambiente. Mesmo as fontes limpas e renováveis, como a hidrelétrica e a eólica acarretam em impactos socioeconômicos e ambientais. Por exemplo, a construção de uma usina hidrelétrica demanda uma imensa área alagada que pode devastar florestas inteiras e a instalação de uma usina eólica pode afetar a migração de certas espécies de pássaros e produzir altos níveis de barulho. Portanto, para equilibrar as vantagens e desvantagens devidas a cada meio de produção de energia, é necessária a diversificação, que demanda de investimentos em novas fontes. Neste contexto, a geração de energia nos oceanos é destacada. O primeiro ponto a respeito desta fonte é de que não há a necessidade de remoção da população na área de instalação, tal como os métodos de geração dentro do continente. O segundo principal ponto é a respeito da distribuição de energia. A maior parte da população mundial vive em regiões costeiras, diminuindo, portanto, a distância entre a produção e demanda, reduzindo assim, seus custos. As duas principais metodologias para se explorar a energia proveniente dos oceanos são: Energia de Ondas e Energia de Marés. E considerando que os ciclos de mare são governados principalmente pela interação gravitacional entre os oceanos, lua e sol, eles são facilmente previsíveis, o que aumenta a confiabilidade dos sistemas de geração de energia baseados em marés. Este trabalho explora as metodologias para analisar a geração de energia a partir de uma única turbina axial de corrente de maré através de uma metodologia baseada nas equações de Navier-Stokes com a média de Reynolds, analisadas em regime permanente. São discutidos efeitos da direção do escoamento, perfil de velocidades na entrada e nos níveis de turbulência. Os resultados são comparados com experimentos. É proposta uma metodologia alternativa para a modelagem da superfície livre com CFD uma vez que a metodologia atual é baseada em um escoamento bifásico que demanda de um refinamento adicional da malha e é computacionalmente caro. A nova metodologia usa uma parede elástica na região da superfície livre com a rigidez ajustada para se obter o mesmo efeito de restauração que a gravidade. De maneira geral, os resultados para o domínio aberto se aproximaram dos resultados experimentais, validando o modelo numérico e além disso, o modelo considerando confinamento da turbine mostrou maiores valores para os coeficientes de potência e empuxo, estando portanto, de acordo com a teoria do disco atuador. O modelo com a superfície livre elástica apresentou problemas de convergência, relacionados com números de Froude elevados, uma vez que isto se relaciona com maiores deformações na região da superfície livre. Uma simulação com 10% da velocidade original foi realizada, obtendo-se resultados coerentes para ambos coeficientes de potência e empuxo.
 
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Publishing Date
2018-09-18
 
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