Autor |
Bloss, Vinícius; |
Lattes do autor |
http://lattes.cnpq.br/8886912294059252; |
Orientador |
Zinani, Flávia Schwarz Franceschini; |
Lattes do orientador |
http://lattes.cnpq.br/8732272690265023; |
Instituição |
Universidade do Vale do Rio dos Sinos; |
Sigla da instituição |
Unisinos; |
País da instituição |
Brasil; |
Instituto/Departamento |
Escola Politécnica; |
Idioma |
pt_BR; |
Título |
Estudo do desempenho de um conversor de energia tipo coluna de água oscilante utilizando um modelo computacional tridimensional e design construtal com três graus de liberdade; |
Resumo |
Recentemente, os oceanos têm sido vistos como uma fonte promissora de
energia renovável. Teoricamente, os oceanos poderiam ofertar energia suficiente para
suprir toda a demanda mundial. Dentre as tecnologias disponíveis para conversão de
energia dos oceanos (CEO) destacam-se os dispositivos tipo Coluna de Água
Oscilante (CAO), que se caracterizam por uma câmara, na qual a água oscila em seu
interior em um movimento semelhante ao de um pistão. Este movimento desloca o ar
para uma chaminé, onde uma turbina é acoplada. A passagem do ar pela turbina
promove a conversão em energia mecânica. No presente trabalho, foi realizado o
estudo do desempenho de um conversor tipo CAO em escala 1:15 utilizando um
modelo de fluidodinâmica computacional tridimensional. A análise foi baseada no
Método Design Construtal. Nesta abordagem, a energia é a grandeza que flui através
do sistema, que possui como propósito a máxima taxa de conversão de energia das
ondas em energia mecânica. Foram utilizados três graus de liberdade: razão da altura
pelo comprimento da câmara hidropneumática (H1/L), razão da altura da chaminé pelo
seu diâmetro (H2/d) e a razão da largura da câmara hidropneumática pela largura do
tanque de onda (W/Z). Foi investigado o efeito de diferentes combinações entre os
graus de liberdade para um clima de ondas típico da região Sul do litoral brasileiro. A
eficiência de conversão foi utilizada como parâmetro de desempenho. Foi realizada a
modelagem computacional do sistema, aplicando um software de fluidodinâmica
computacional baseado no método de volumes finitos (MVF), utilizando a modelagem
Volume of Fluid (VoF) para a interface entre as fases gás e líquido. Em uma primeira
análise, observou-se que a altura da chaminé sempre tem efeito positivo na eficiência
do sistema. No entanto, foram selecionados apenas valores fabricáveis para este grau
de liberdade, limitando as análises posteriores a dois graus de liberdade, H1/L e W/Z.
Através de um Design de Experimentos do tipo Projeto Composto Central, diferentes
combinações dos graus de liberdade foram simuladas, permitindo a construção de
Superfícies de Resposta e de correlações para a eficiência do sistema em função dos
graus de liberdade largura e altura da câmara, bem como a otimização do sistema
baseado nas Superfícies de Resposta. Nos testes realizados a eficiência do
dispositivo CAO variou de 1,48% até 19,32% no pior e melhor caso, respectivamente.; |
Abstract |
Recently, the oceans have been seen as a promising source of renewable
energy. Theoretically, the oceans could offer enough energy to supply the entire world
demand. Among the technologies available for energy conversion from the oceans,
the Oscillating Water Column (OWC) type devices stand out, which are characterized
by a chamber, in which the water oscillates inside in a movement similar to a piston.
This movement moves the air to a chimney, where a turbine is attached. The passage
of air through the turbine promotes the conversion into mechanical energy. In the
present work, the study of the performance of a 1:15 scale OWC type converter was
performed using a three-dimensional computational fluid dynamics model. The
analysis was based on the Constructal Design Method. In this approach, energy is the
quantity that flows through the system, whose purpose is the maximum rate of
conversion of wave energy into mechanical energy. Three degrees of freedom were
used: the ratio of height to length of the hydropneumatic chamber (H1/L), the ratio of
the height of the chimney to its diameter (H2/d), and the ratio of the width of the
hydropneumatic chamber to the width of the wave tank (W/Z). The effect of different
combinations between degrees of freedom for a typical wave of the southern region of
the Brazilian coast was investigated. Conversion efficiency was used as a performance
parameter. Computational modeling of the system was performed, using
computational fluid dynamics software based on the finite volume method (FVM), using
the Volume of Fluid (VoF) modeling for the interface between the gas and liquid
phases. In a first analysis, it was observed that the height of the chimney always has
a positive effect on the efficiency of the system. However, only workable values were
selected for this degree of freedom, limiting the subsequent analyzes to two degrees
of freedom, H1/L and W/Z. Through a Design Experiment of the Central Composite
Project type, different combinations of degrees of freedom were simulated, allowing
the construction of Response Surfaces and correlations for the efficiency of the system
depending on the degrees of freedom width and height of the chamber, as well as the
optimization of the system based on the Response Surfaces. In the tests carried out,
the efficiency of the OWC device varied from 1.48% to 19.32% in the worst and best
case, respectively.; |
Palavras-chave |
Design construtal; Fluidodinâmica computacional; Conversor de energia das ondas; Coluna de água oscilante; Construtal design; Computational fluid dynamics; Wave energy converter; Oscillating water column; |
Área(s) do conhecimento |
ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica; |
Tipo |
Dissertação; |
Data de defesa |
2020-10-15; |
Agência de fomento |
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; |
Direitos de acesso |
openAccess; |
URI |
http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/9498; |
Programa |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica; |