Transformation of Water Wave Spectra into Time Series of Surface Elevation

Spectral wave modelling is widely used to simulate large-scale wind–wave processes due to its low computation cost and relatively simpler formulation, in comparison to phase-resolving or hydrodynamic models. However, some applications require a time-domain representation of sea waves. This article proposes a methodology to transform the wave spectrum into a time series of water surface elevation for applications that require a time-domain representation of ocean waves. The proposed method uses a generated phase spectrum and the inverse Fourier transform to turn the wave spectrum into a time series of water surface elevation. The consistency of the methodology is then verified. The results show that it is capable of correctly transforming the wave spectrum, and the significant wave height of the resulting time series is within 5% of that of the input spectrum

Simulação de ondas oceânicas na costa Sul-Sudeste brasileira para análise do potencial energético

Com o desenvolvimento tecnológico e o aumento da população mundial existe grande demanda de energia que pode ser suprida de forma renovável. Uma forma de transformação desta forma de energia é pela conversão da energia cinética das ondas oceânicas em energia elétrica. Para obter um bom retorno da implantação destes conversores de energia se faz necessário a utilização de modelos numéricos, que simulam o estado do mar e permitam a obtenção da previsão do potencial energético. No presente trabalho o modelo TOMAWAC foi utilizado para simular ondas na plataforma continental Sul-Sudeste brasileira, que foram avaliadas em busca de locais de alto potencial energético. A simulação foi realizada entre janeiro e dezembro de 2006 e os resultados indicam que na região costeira valores médios de 1,25 m de altura de onda podem ser observados. O período médio das ondas varia entre 7,5 e 9 s para toda a região e a direção média indica a dominância de ondas que vem de sudeste alcançando a zona costeira. A região costeira mostra valores médios para o potencial energético entre 10 e 20 kW/m e os maiores valores médios são observados na Bacia de Santos, alcançando 25 kW/m nas proximidades de Ilhabela

Investigation of persistent coherent structures along the Southern Brazilian Shelf

Dentre as diferentes influências que a hidrodinâmica da plataforma continental sul brasileira sofre, uma de destaque é a pluma de água proveniente da Lagoa dos Patos, gerando no seu entorno uma região com elevada complexidade na dinâmica do escoamento. Além disto, ventos sazonais, sinóticos e variáveis, bem como as condições das correntes costeiras levam a padrões alternantes de escoamentos. Deste modo, foram investigadas ocorrências de estruturas coerentes persistentes neste ambiente. Para tal fim, foi utilizada uma metodologia numérica capaz de descrever as principais características fluidodinâmicas durante um ano climatológico. O código aberto de elementos finitos Telemac-Mascaret foi aplicado no domínio tridimensional, juntamente com o modelo k-épsilon para a descrição dos efeitos turbulentos. Estruturas persistentes de elevada turbulência foram identificadas na área de estudo, as quais ocorrem como perturbações de curvatura definidas por altas taxas de produção e dissipação turbulenta. Como resultado, há um aumento local na mistura entre porções de fluido, caracterizado por um fluxo ascendente. Este fenômeno pode ser atribuído as irregularidades na topografia do leito, associado as tensões de cisalhamento provocadas pela ação do vento. Os resultados obtidos por modelagem numérica contribuíram para aumentar a informação disponível sobre as estruturas de circulação nesta região.The freshwater-influenced region of the Patos Lagoon discharge to the Southern Brazilian Shelf (SBS) is a region of complex fluid dynamics. Seasoning and synoptic variable winds and coastal current conditions create an alternating flow pattern. The aim of this paper was to investigate the occurrence of persistent coherent structures in this environment. A numerical approach was chosen to describe the main hydrodynamic features of the region during a climatological year. The open-source finite-element code TelemacMascaret was applied to the three-dimensional domain. In addition the two-equation k-epsilon model described the turbulence mechanisms. The presence of persistent high-turbulent structures was identified within the study area. These occur as a strong curvilinear disturbance characterized by higher turbulent production and dissipation rates, which increase local mixture. As a result, upward circulation flow was observed, which may be due to irregularities in bottom topography associated with wind-induced stress forces. These results increase the information about the circulation structures of the study area by means of numerical modelling analysis

Modelagem e simulação de derrames de dois tipos de petróleo baseado na experiência de Tramandaí/RS

In view of the global dependence of oil and the imminent environmental risks of handling and transportation of oil at sea, this paper aims to reproduce the incident of leakage of oil in the buoy of Tramandaí - RS on January 26 2012, and analyze the weathering action on two different types of oil subject to environmental conditions on the day of the accident. This work used two different softwares, the ECOS oil spill model coupled to the hydrodynamic model TELEMAC-3D. Due to the history of leaks in the region of Tramandaí, this area was delimited as a study area in order to study the behavior of the oil. With the research it was possible to reproduce the hydrodynamic conditions of the day of the incident using TELEMAC-3D. The weathering processes implemented did not influence the size of the oil stain. The influence of the emulsification process proved important in the specific mass of the oil. The coefficient implemented in the model tends to stabilize the emulsification by 70% for crude oils and heavy oils, but in reality it should vary according to the specific mass of each oil. Thus, the emulsification result was the same for the two simulations, not matching what could happen under real conditions. The evaporation was well implemented in the model, varying according to each specific mass of the oil. The values ”‹”‹obtained were 4% evaporation for simulation A, 19.5% for simulation B.Tendo em vista a dependência global do petróleo e os riscos ambientais iminentes do manuseio e transporte de óleo no mar, o presente trabalho tem como objetivo reproduzir o incidente de vazamento de óleo na monoboia de Tramandaí/RS do dia 26 de Janeiro de 2012, e analisar a ação do intemperismo em dois tipos diferentes de óleo sujeitos às condições ambientais no dia do acidente. Este trabalho utilizou de dois diferentes softwares, o modelo de derrame de óleo ECOS acoplado ao modelo hidrodinâmico TELEMAC-3D. Devido ao histórico de vazamentos na região de Tramandaí, delimitou-se essa área como área de estudo a fim de estudar o comportamento do óleo. Com a pesquisa foi possível reproduzir as condições hidrodinâmicas do dia do incidente utilizando o TELEMAC-3D. Os processos de intemperismo implementados não influenciaram no tamanho da mancha de óleo. A influência do processo de emulsificação se mostrou importante na massa específica do óleo. O coeficiente implementado no modelo tende a estabilizar a emulsificação em 70 % para óleos crus e óleos pesados, mas que na realidade deveria variar de acordo com a massa específica de cada óleo. Assim, o resultado de emulsificação foi o mesmo para as duas simulações, não condizendo com o que poderia acontecer em condições reais. A evaporação se mostrou bem implementada no modelo, variando de acordo com cada massa específica do óleo. Os valores obtidos foram de 4 % de evaporação para a simulação A, 19,5 % para a simulação B

Numerical Evaluation of the Hydropneumatic Power of the Oscillating Water Column Wave Energy Converter Submitted to Regular and Irregular Waves

The purpose of this study is to computationally analyze the hydropneumatic power available in the air duct of an Oscillating Water Column (OWC) Wave Energy Converter (WEC) device when subject to realistic sea state data (irregular waves) and when submitted to the regular waves representative of this sea state. The OWC WEC is mainly composed of a hydropneumatic chamber and an air duct where a turbine and electric generator are coupled. The chamber is open below the free surface while the duct is open to the atmosphere. The oscillating movement of the water-free surface inside the chamber causes the air to flow, moving the turbine and generating electricity. To execute this study, a bi-dimensional computational model was considered and numerical simulations of wave generation were carried out using ANSYS Fluent, which is a Computational Fluid Dynamics (CFD) software based on the Finite Volume Method (FVM). The Volume of Fluid (VOF) multi-phase model was applied in the treatment of the water-air interaction. To evaluate the average hydropneumatic power available in the duct, the static pressure, velocity, and air mass flow rate were monitored. The results were analyzed, showing that the available power is 250% greater when the device is subject to realistic irregular waves rather than subject to representative regular waves

ANÁLISE E APLICAÇÃO DO DESIGN CONSTRUTAL PARA AVALIAÇÃO GEOMÉTRICA DE SÍTIOS DE CONVERSÃO DE ENERGIA NA PLATAFORMA CONTINENTAL SUL DO BRASIL

As necessidades energéticas do homem estão em constante evolução. Vivemos em um planeta onde a mudança do estilo de vida da população é constante e a nossa dependência pela energia é cada vez maior. Sendo assim, a busca por fontes de energias limpas e renováveis que tenham baixo impacto ambiental é incansável. Dentro da diversificação de fontes de recursos energéticos renováveis os oceanos surgem como uma das opções a serem estudadas. O presente estudo apresenta, através de Modelagem Numérica, a implantação de um sítio de conversores na Plataforma Continental Sul do Brasil de forma que utiliza o método de Design Construtal no auxílio da configuração da matriz de turbinas dentro do sítio. Ao final do estudo foram obtidos valores médios de conversão de energia nas 3 turbinas e a média total do sítio, também foi analisado o comportamento de cada conversor no período simulado e feita uma comparação entre eles, considerando a quantidade de energia convertida e o período em que cada conversor teve seu pico máximo de conversão.Palavras-Chave Energia renovável, Modelagem numérica, Conversão de energia, Design Construtal, Configuração de sítios de conversão

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

Identificação de setores com necessidade de dragagem na hidrovia da Lagoa Mirim - RS, Brasil

O transporte hidroviário está entre os meios de transporte mais antigos e usados no mundo, além disso, quando comparado com outros modais de transporte mais utilizados no Brasil, apresenta uma melhor eficiência energética e acarreta menores impactos sociais e ambientais. Atualmente se tem discutido sobre a ampliação do potencial de transporte de cargas entre o Brasil e o Uruguai com a reabertura da Hidrovia da Lagoa Mirim. Portanto, conhecer a variabilidade natural do nível das águas desse ambiente é de extrema importância social, econômica e ambiental, uma vez que, a hidrodinâmica do corpo de água afeta diretamente as condições de navegabilidade, padrões de deposição de sedimentos e as operações de dragagem. No presente trabalho, investigamos a hidrodinâmica da Lagoa Mirim através de modelagem numérica, o foco principal é analisar as séries temporais de profundidade desse corpo lagunar e apontar os locais a serem dragados. Concluiu-se que a variabilidade do nível dessa lagoa é governada principalmente pela descarga dos rios em escalas intra-sazonais e anuais, e pelos ventos em escalas sinóticas de tempo. Através dos resultados obtidos, foi possível inferir que as regiões que necessitam de dragagem estão na parte norte, um pequeno trecho central e no extremo sul da Lagoa Mirim

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

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