Numerical modeling and experimental testing of an oscillating wave surge converter

21/11/2018

Oscillating wave surge converters (OWSCs) are an important class of oscillating bodies wave energy converter (WEC) devices, especially designed to operate in the near-shore region. These devices are especially composed by a bottom-hinged buoyant flap and by a hydraulic power take-off (PTO) system. The energy conversion process is based on the complex interactions between wave and flap, and between flap and mechanical constraints, i.e., PTO system, revolute joints and frictional contacts among components. Hence, mechanical constraints cannot be neglected while designing OWSCs. However, most of the previous studies has overlooked the joint (non-linear) effect of these constraints with wave interaction. In this context, the objectives of this thesis are: i) to develop a numerical tool that is able to simulate the complex fluid-structure interactions and hydrodynamic behavior of the OWSC with mechanical constraints; and ii) to validate the numerical tool with closely controlled laboratory tests. To develop the numerical tool it is necessary to understand the main features of the flow, to understand the dynamic behavior of the hydraulic PTO system, and to recognize and validate existing numerical approaches. The validation then requires independent tests on the dynamic and hydrodynamic behaviors of the OWSC with mechanical constraints. To attain these objectives, two sets of physical model tests of an OWSC at 1:10 scale model was carried out at the Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA), Universidad de la República, Uruguay. In the first set of tests, the hydrodynamic behaviors of the OWSC were characterized. In these tests, the free-surface elevation, pressure in the PTO system, rotation angle and velocity field in the vicinity of the flap are measured and analyzed. A large discrepancy was observed between the experimental data and linear analytical solutions, caused by the non-linear behaviors of wave-OWSC interaction that govern the turbulent field and the boundary layer instead of the inviscid and irrotational flow. The non-linear effects have an important role on the capture width ratio (CWR) and, therefore, analytical models are not accurate to describe the complex hydrodynamics of the OWSC with mechanical constraints. In fact, the measured signals present important linear and also non-linear harmonics components. To predict the CWR, the non-linear output frequency response functions are considered as the extension of the response amplitude operator (RAO). It is observed that the PTO system has a significant influence on the CWR and RAO. The RAO does not exhibit a well-defined peak as from the linear theory, showing a limited variation in a broad frequency band. Furthermore, a weak correlation between CWR and RAO was found, i.e., the maximum CWR does not occur for the maximum value of RAO. In the second set of tests, the dynamic behaviors of the hydraulic PTO system were characterized. The experimental results show clearly a strong non-linear behaviors, including hysteretic and stochastic behaviors, and cavitation phenomena for large amplitude of motion. To capture and implement these behaviors, a mathematical model was proposed. The systematic comparison between measured and calculated results demonstrates that the proposed model can predict, with a satisfactory accuracy, the dynamic behaviors of the hydraulic PTO system. The developed numerical tool is based on the implementation of the multi-body solver of Project Chrono under the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model of DualSPHysics, where the SPH solver resolves the interaction between wave and flap and the multi-body solver resolves the interaction between flap and mechanical constraints. The coupling procedure consists on the integration of part of the Project Chrono library and the adaptation of several source codes that compose mainly floating bodies in DualSPHysics. The validation of the numerical tool is performed for both regular and irregular waves. The comparison between numerical results and experimental data shows that the numerical tool properly predicts the dynamics of the OWSC. Furthermore the computed and observed freesurface elevation and mean flow field show reasonable agreement. Os oscillating wave surge converters (OWSCs) são dispositivos de conversão de energia das ondas (WEC) do tipo corpo oscilante que funcionam nas zonas próximas à costa. Estes dispositivos são compostos essencialmente por uma placa oscilante e um sistema hidráulico de extração de energia (PTO). A conversão de energia dos OWSCs caracteriza-se por um conjunto de interações complexas da onda com a placa oscilante e da placa oscilante com as restrições mecânicas, i.e., as restrições impostas pelo sistema PTO e pelos mecanismos de ligação entre os diversos componentes. Assim, estas restrições não devem ser desprezadas no dimensionamento dos OWSCs. No entanto, grande parte dos estudos anteriores foram feitos desprezando os efeitos (não-lineares) combinados destas restrições com a interação da onda. Os objetivos desta tese são: i) desenvolver uma ferramenta numérica que permita simular interações complexas onda-estrutura e o comportamento hidrodinâmico dos OWSCs com restrições mecânicas; e ii) validar a ferramenta numérica com base em dados laboratoriais. Para desenvolver a ferramenta numérica é necessário compreender as principais características do escoamento e o comportamento dinâmico do sistema PTO, e ainda identificar e validar as metodologias numéricas existentes. A validação requer, por sua vez, testes independentes em modelo físico do comportamento dinâmico e hidrodinâmico do OWSC com restrições mecânicas. Para atingir estes objetivos, foram realizados dois grupos de ensaios experimentais em modelo físico de um OWSC à escala 1:10 no Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA), Universidad de la República, Uruguai. O primeiro grupo de ensaios centra-se na caracterização do comportamento hidrodinâmico do OWSC. Nestes ensaios foram medidos a elevação da superfície livre, a pressão no interior do sistema PTO, o movimento do OWSC e o campo de velocidade na vizinhança da placa oscilante. A comparação entre os dados experimentais e as soluções analíticas lineares apresenta uma grande discrepância, causada pelos efeitos não-lineares da interação onda-OWSC que governam o escoamento turbulento e a camada limite em vez do escoamento invíscido e irrotacional. Efetivamente, os efeitos não-lineares têm uma importância significativa na eficiência (CWR) do OWSC, logo os modelos analíticos lineares não são adequados para descrever com precisão a hidrodinâmica dos OWSCs com restrições mecânicas. Os sinais medidos apresentam forte componentes harmónicas lineares e também não-lineares. Neste contexto, a CWR é estimada considerando as contribuições das componentes harmónicas não-lineares como sendo uma extensão do operador de amplitude de resposta (RAO). O sistema PTO apresenta feitos relevantes no CWR e no RAO. O RAO não apresenta o pico de ressonância, mostrando claramente o efeito do amortecimento do sistema PTO. Adicionalmente, foi observado uma fraca correlação entre CWR e RAO, i.e., o valor máximo do CWR não ocorrer para o máximo do RAO. O segundo grupo de ensaios centra-se na caracterização do comportamento dinâmico do sistema PTO. Os resultados experimentais mostram um forte comportamento não-linear do sistema PTO (incluindo o comportamento histerético e estocástico, e ainda o fenómeno de cavitação para grande amplitude de movimento). De modo a implementar estes efeitos nãolineares na ferramenta numérica foi desenvolvido um modelo matemático do sistema PTO hidráulico. A exaustiva comparação entre os resultados experimental e os estimados mostra que o modelo desenvolvido prevê com boa aproximação o comportamento dinâmico do sistema PTO. A ferramenta numérica desenvolvida baseia-se no acoplamento do solver multicorpo do Project Chrono e do solver Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) do código DualSPHysics. Nesta ferramenta o solver SPH calcula a interação onda-placa oscilante e o solver multicorpo calcula a interação placa oscilante-restrições mecânicas. O método de acoplamento baseia-se na integração da biblioteca do Project Chrono e na adaptação dos códigos fontes do DualSPHysics que contém a implementação dos corpos flutuantes. A validação desta ferramenta numérica é feita para condições de agitação regular e irregular. A comparação entre os resultados numéricos e e os dados experimentais mostra que o modelo numérico desenvolvido permite simular com precisão a dinâmica do OWSC. Além disso, os resultados numéricos da elevação da superfície livre e do campo de velocidades médio apresentam boa concordância com os dados experimentais.

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Palavras-chave

• Wave energy
• Oscillating wave surge converter (OWSC)
• Experimental modeling
• Numerical modeling
• Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)
• Mechanical constraint
• Hydraulic power take-off (PTO) system
• DualSPHysics
• Project Chrono
• Energia das ondas
• Oscillating wave surge converter (OWSC)
• Modelação física
• Modelação numérica
• Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)
• Restrição mecânica
• Sistema hidráulico de extração de energia (PTO)
• DualSPHysics
• Project Chrono

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