Verification and Validation of a Methodology to Numerically Generate Waves Using Transient Discrete Data as Prescribed Velocity Boundary Condition

This work presents a two-dimensional numerical analysis of a wave channel and a oscillating water column (OWC) device. The main goal is to validate a methodology which uses transient velocity data as a means to impose velocity boundary condition for the generation of numerical waves. To achieve this, a numerical wave channel was simulated using regular waves with the same parameters as those used in a laboratory experiment. First, these waves were imposed as prescribed velocity boundary condition and compared with the analytical solution; then, the OWC device was inserted into the computational domain, aiming to validate this methodology. For the numerical analysis, computational fluid dynamics ANSYS Fluent software was employed, and to tackle with water–air interaction, the nonlinear multiphase model volume of fluid (VOF) was applied. Although the results obtained through the use of discrete data as velocity boundary condition presented a little disparity; in general, they showed a good agreement with laboratory experiment results. Since many studies use regular waves, there is a lack of analysis with ocean waves realistic data; thus, the proposed methodology stands out for its capacity of using realistic sea state data in numerical simulations regarding wave energy converters (WECs)

ANÁLISE NUMÉRICA DA GEOMETRIA DA RAMPA DE UM DISPOSITIVO DE GALGAMENTO ONSHORE EM ESCALA REAL APLICANDO O DESIGN CONSTRUTAL

O presente trabalho propõe um estudo numérico a respeito de um conversor de energia das ondas do mar do tipo galgamento. O princípio operacional do dispositivo de galgamento consiste de uma estrutura que utiliza uma rampa para direcionar as ondas incidentes para o reservatório. A água armazenada retorna ao oceano após a passagem por uma turbina que está acoplada a um gerador de energia elétrica. O objetivo deste estudo é a aplicação do método Design Construtal, aliado a busca exaustiva, na definição da melhor forma geométrica para a rampa de modo a maximizar a vazão mássica de água que entra no reservatório. O grau de liberdade b/B foi otimizado. A restrição considerada neste estudo é manter fixo: a área total do tanque de ondas, a área da rampa e as características da onda. Para a análise numérica do princípio de funcionamento deste dispositivo foi empregado um domínio computacional tridimensional (3D), construído e discretizado no software GAMBIT, onde o conversor é acoplado a um tanque de ondas regulares. As soluções das equações de conservação e uma equação para o transporte da fração volumétrica foram realizadas com o código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional FLUENT, que é baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). Aplica-se o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) no tratamento da interação água-ar. Os resultados conduziram a uma recomendação teórica sobre a geometria ótima do dispositivo de galgamento, mostrando que houve uma razão ótima (b/B)o = 0.38, que maximiza a quantidade de água que entra no reservatório.Palavras-chave: Galgamento, Teoria Construtal, Análise Numérica

Solving a hypothetical chess problem: a comparative analysis of computational methods and human reasoning

Computational modeling has enabled researchers to simulate tasks which are very often impossible in practice, such as deciphering the working of the human mind, and chess is used by many cognitive scientists as an investigative tool in studies on intelligence, behavioral patterns and cognitive development and rehabilitation. Computer analysis of databases with millions of chess games allows players’ cognitive development to be predicted and their behavioral patterns to be investigated. However, computers are not yet able to solve chess problems in which human intelligence analyzes and evaluates abstractly without the need for many concrete calculations. The aim of this article is to describe and simulate a chess problem situation proposed by the British mathematician Sir Roger Penrose and thus provide an opportunity for a comparative discussion by society of human and artificial intelligence. To this end, a specialist chess computer program, Fritz 12, was used to simulate possible moves for the proposed problem. The program calculated the variations and reached a different result from that an amateur chess player would reach after analyzing the problem for only a short time. New simulation paradigms are needed to understand how abstract human thinking works

Numerical analysis of the available power in an overtopping wave energy converter subjected to a sea state of the Coastal Region of Tramandaí, Brazil

The present work proposes a numerical study of an overtopping wave energy converter. The goal of this study is to evaluate the theoretical power that can be converted by an overtopping device subjected to sea waves in the coastal region of Tramandaí, Brazil. For this, realistic irregular waves were generated using theWaveMIMO methodology, which allows numerical simulation of sea waves through the imposition of transient discrete data as prescribed velocity. For the numerical analysis, a two-dimensional computational model was employed using Fluent, where the device was inserted into a wave channel. The volume of the fluid multiphase model was used for the treatment of the air–water interaction. The results indicated that the free surface elevation obtained using the WaveMIMO methodology, which converts a realistic sea state into a free surface elevation series, was adequately represented. The evaluation of the theoretical power of the overtopping device during around 45 min indicated that 471.28 W was obtained. In addition, a monthly generation projection showed that this device would supply 100% of the electricity demand of a school in the city of Tramandaí. These results demonstrated that the conversion of sea wave energy into electrical energy can contribute to supplying electricity demand, especially for coastal cities

Numerical study and geometrical investigation of an onshore overtopping device wave energy converter with a seabed coupled structure

Studies regarding renewable energy sources have gained attention over recent years. One example is wave energy converters, which harvest energy from sea waves using different operational principles such as oscillating water columns, oscillating bodies, and overtopping devices. In the present paper, a numerical study is carried out, and a geometrical investigation of a fullscale overtopping device with a coupled structure mounted on the seabed is performed using the Constructal Design method. The main purpose is to investigate the influence of the design over the available power of the device. The areas of the overtopping ramp (Ar) and the trapezoidal seabed structure (At) are the problem constraints. Two degrees of freedom are studied, the ratio between the height and length of the ramp (H3/L3) and the ratio between the upper and lower basis of the trapezoidal obstacle (L1/L2). The device submersion is kept constant (H1 = 3.5 m). The equations of continuity, momentum, and the transport of volume fraction are solved with the Finite Volume Method, while the water–air mixture is treated with the multiphase model Volume of Fluid. Results showed that the ratio H3/L3 presented a higher sensibility than the ratio L1/L2 over the accumulated water in the reservoir. Despite that, the association of a structure coupled to the ramp of an overtopping device improved the performance of the converter by 30% compared to a conventional condition without the structure

WaveMIMO Methodology : Numerical Wave Generation of a Realistic Sea State

This paper presents a methodology that allows the numerical simulation of realistic sea waves, called WaveMIMO methodology, which is based on the imposition of transient discrete data as prescribed velocity on a finite volume computational model developed in Fluent software. These transient data are obtained by using the spectral wave model TOMAWAC, where the wave spectrum is converted into a series of free surface elevations treated and processed as wave propagation velocities in the horizontal (x) and vertical (z) directions. The processed discrete transient data of wave propagation velocity are imposed as boundary conditions of a wave channel in Fluent, allowing the numerical simulation of irregular waves with realistic characteristics. From a case study that reproduces the sea state occurring on March 31st, 2014, in Ingleses Beach, in the city of Florianópolis, state of Santa Catarina, Brazil, it was concluded that the WaveMIMO methodology can properly reproduce realistic conditions of a sea state. In sequence, the proposed methodology was employed to numerically simulate the incidence of irregular realistic waves over an oscillating water column (OWC) wave energy converter (WEC). From these results, the WaveMIMO methodology has proved to be a promising technique to numerically analyze the fluid-dynamic behavior of WECs subjected to irregular waves of realistic sea state on any coastal region where the device can be installed

APLICAÇÃO DO MÉTODO DESIGN CONSTRUTAL NA AVALIAÇÃO NUMÉRICA DA POTÊNCIA HIDROPNEUMÁTICA DE UM DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO MAR DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE COM REGIÃO DE TRANSIÇÃO TRAPEZOIDAL

O presente trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a região de transição entre a câmara hidropneumática e a chaminé de um dispositivo conversor do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO). O objetivo é maximizar a potência hidropneumática, considerando uma geometria trapezoidal na região de transição do dispositivo CAO, situada entre a câmara hidropneumática e a chaminé. Os resultados são comparados através do valor de potência hidropneumática obtido para as diferentes configurações geométricas. O Design Construtal, associado ao método de busca exaustiva, foi empregado para definir a geometria que maximiza a potência hidropneumática. Os graus de liberdade estudados foram o ângulo de inclinação da parede entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO (α), a razão entre altura e comprimento da chaminé do dispositivo (H2/l) e a profundidade de submersão do dispositivo (H3). O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com o dispositivo CAO acoplado. O software FLUENT foi empregado para a solução numérica das equações, baseada no Método dos Volumes Finitos (MVF). A construção da geometria e a geração da malha foram realizadas no software GAMBIT. Na interação entre as fases ar e água, foi aplicado o método Volume of Fluid (VOF). Os resultados encontrados mostram um potência de 587,31 W para o caso de melhor desempenho, enquanto que 46,14 W determinam a potência para o caso de mais baixo desempenho. Estes resultados apresentam uma diferença de 92,14 % em relação ao mais alto e o mais baixo desempenho de potência hidropneumática.Palavras-chave: Design Construtal, Trapezoidal, CAO

Numerical analysis of an overtopping wave energy converter subjected to the incidence of irregular and regular waves from realistic sea states

The present study aims to evaluate the difference in the fluid-dynamic behavior of an overtopping wave energy converter under the incidence of irregular waves based on a realistic sea state when compared to the incidence of regular waves, representative of this sea state. Thus, the sea data of three regions from the Rio Grande do Sul coast, Brazil, were considered. Fluent software was employed for the computational modeling, which is based on the finite volume method (FVM). The numerical generation of waves occurred through the imposition of the velocity boundary conditions using transient discrete values through the WaveMIMO methodology. The volume of fluid (VOF) multiphase model was applied to treat the water–air interaction. The results for the water amount accumulated in the device reservoir showed that the fluid-dynamic behavior of the overtopping converter has significant differences when comparing the two proposed approaches. Differences up to 240% were found for the water mass accumulated in the overtopping device reservoir, showing evidence that the results can be overestimated when the overtopping device is analyzed under the incidence of the representative regular waves. Furthermore, for all studied cases, it was possible to approximate the water volume accumulated over time in the overtopping reservoir through a first-degree polynomial function

ANÁLISE GEOMÉTRICA DE DOIS GRAUS DE LIBERDADE DE UM DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE NA FORMA TRAPEZOIDAL

Este trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a análise da geometria na forma trapezoidal de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica.  O princípio de funcionamento é o de coluna de água oscilante (CAO).  O objetivo é maximizar a potência hidropneumática absorvida pelo dispositivo quando submetido a um clima de ondas real. É empregado Design Construtal para analisar dois graus de liberdade: β que é o ângulo formado pela parede frontal do dispositivo CAO com a superfície livre (ângulo da base do trapézio) enquanto o outro grau de liberdade e H3 que é a profundidade de submersão do dispositivo. A relação H2/l, (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) é mantida constante. As restrições do problema são a área de entrada e a área total da câmara CAO que são mantidas 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. Foi possível verificar a influência dos dois graus de liberdade analisados no aproveitamento da energia da onda incidente, o melhor desempenho foi obtido quando β = 30o e H3 = 9,50 m, por outro lado o pior desempenho ocorre quando β = 80o e H3 = 10,25 m. Isso representa um em termos de potência hidropneumática um acréscimo de cerca de sete vezes no desempenho do dispositivo.Palavras-Chave: Coluna de água Oscilante, Forma trapezoidal, Modelo multifásico

INVESTIGAÇÃO NUMÉRICA E GEOMÉTRICA DA REGIÃO DE TRANSIÇÃO TRAPEZOIDAL ENTRE A CÂMARA HIDROPNEUMÁTICA E A CHAMINÉ DE UM DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO MAR EM ENERGIA ELÉTRICA DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSICLANTE

O presente trabalho contempla o estudo da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, para analisar diferentes configurações geométricas da região de transição trapezoidal entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo Coluna de Água Oscilante (CAO) e assim maximizar a potência hidropneumática. Considerando um domínio bidimensional, as restrições do problema são: área de entrada da câmara hidropneumática (A E ), área total da câmara CAO (A T). Os graus de liberdade analisados são: o ângulo de inclinação da parede entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO (α) e a razão entre altura e comprimento da chaminé do dispositivo (H2/l), no presente trabalho os graus de liberdade H1/L (razão entre altura e comprimento da câmara hidropneumática) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo) são mantidos constantes. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica de fluidos computacional, 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 o dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos mostram que a máxima potência hidropneumática de 451,15 W é obtida para os graus de liberdade H2/l = 4 e α = 5, enquanto o caso com menor desempenho apresenta uma potência hidropneumática de 98,57 W para os graus de liberdade H2/l = 2,3 e α = 45. Este resultado mostra um ganho de 78,15 % em relação ao caso com menor desempenho de potência. Palavras-chave: Design Construtal, Coluna de Água Oscilante (CAO), otimizaçãogeométrica, região de transição trapezoidal