0-96611

نشریه مهندسی دریــا سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(13-21)
شبیه سازي عددي اندرکنش موج با یک واحد نیروگاهی ستون نوسان گر آب در فضاي دو بعدي قائم
حمیدرضا صاحب الزمانی1*، مسعود منتظري نمین2

دانشجوي کارشناسی ارشد، گروه سازه هاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکده هاي فنی، دانشگاه تهران؛ [email protected]
استادیار، گروه سازه هاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکدههاي فنی، دانشگاه تهران؛ [email protected]
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

مدلی عددي براي شبیه سازي اندرکنش موج و ستون نوسان گر آب در فضاي دوبعدي قائم به زبان فرترن ارائه شده است. معادلات حاکم، معادلات ناویراستوکس هستند. سطح آزاد آب در مدل دوبعدي با استفاده از روش حجم سیال حل شده است. همچنین در این مدل، براي جذب امواج انعکاس یافته، از یک دیوار متخلخل با تخلخل متغیر در ابتداي کانال استفاده شده است. لازم به ذکر است که براي حل معادله پواسون از یک روش ضمنی بدون نیاز به تکرار استفاده شده است. براي تعیین فشار و تراز آب درون دستگاه ستون نوسان گر آب از یک روش تکراري استفاده شده است. با حصول اطمینان از صحت عملکرد مدل، اندرکنش موج و دستگاه ستون نوسان گر آب شبیه سازي شده و با داده هاي آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. سپس اثر امواج منظم مختلف و همچنین اثر میزان بازشدگی بر راندمان دستگاه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج عددي و آزمایشگاهی هم خوانی مناسبی داشتند. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 08/10/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 13/11/1392 تاریخ انتشار مقاله: 28/12/1392

کلمات کلیدي:
دستگاه ستون نوسان گر آب اندرکنش موج روش حجم سیال

Numerical Simulation of Wave Interaction with One Oscillating Water
Column in Two Dimensional Vertical Plane

Hamidreza Sahebalzamani1*, Masoud Montazeri Namin2

*1 Msc. Student, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]
2Assistant professor, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 29 Dec. 2013
Accepted: 23 Jan. 2014
Available online: 19 Mar. 2014 A numerical model has been introduced to simulate wave interaction with oscillating water column (OWC) in two dimensional vertical plane. Two-dimensional Navierstokes equations have been used. To track free surface, Volume of fluid method has been employed. Also a porous wall is situated at the beginning of the canal to absorb

Keywords:
Oscillating Water Column
Wave interaction
Volume of fluid method

20695931051929

the reflected waves. It’s valuable to mention that the Poisson equation has been solved using an implicit non-iterative method. In order to calculate pressure and water elevation inside OWC, an iterative method has been used. After model verification, the interaction of wave and OWC has been simulated. The effect of different wave conditions and also the immersion depth of the OWC’s front wall have been investigated. The numerical results were consistent with available experimental results.
1 – مقدمه
مصارف کنونی انرژي جهانی داراي مشکلات زیست محیطی متعددي بوده و منابع فعلی تأمین آن پایان پذیرند. روزانه حجم عظیمی از سوخت هاي سنگ واره اي مانند زغال سنگ، نفت و گاز سوزانده می شوند که پسماندهاي احتراقی تولید شده، باعث افزایش انتشار دي اکسید کربن و اکسیدهاي نیتروژن می گردند. توجه جدي به چنین چشم اندازهاي ناخوشایند و فراملیتی موجب گشته است که طی سال هاي اخیر، لزوم کاهش میزان استفاده و جایگزینی سوخت هاي سنگواره اي با منابع جدید انرژي با تأکید بیشتري مطرح گردد. از جمله این منابع می توان به انرژي امواج دریا اشاره کرد. روش هاي مختلفی براي بهره برداري از این منبع عظیم انرژي وجود دارد که واحد نیروگاهی ستون نوسان گر آب1 یکی از آن هاست.
هندسه ي عمومی در طرح هاي مختلف واحدهاي نیروگاهی ستون نوسانگر آب عبارت است از محفظه اي با دو انتهاي باز که به صورت ایستا در معرض امواج قرار می گیرد. سطح آزاد آب، حجم داخلی استوانه را به دو ناحیه تقسیم می کند، به گونه اي که هر دو ناحیه تنها در یک انتهاي خود داراي بازشدگی می باشند. به این ترتیب حجم اصلی محفظه هم زمان محل نوسان دو ستون نوسانگر سیال (آب و هوا) خواهد بود. وضعیت نصب سازه به شکلی است که مقطع بازشدگی تحتانی (با ابعاد به مراتب بزرگتر) در معرض میدان امواج قرار داشته و در نتیجه در هنگام کار دستگاه، سطح آب داخل محفظه متأثر از تلاطم خارجی موج، به نوسان در می آید. در اثر این حرکت رفت و بازگشتی سطح آب داخل محفظه، حجم ناحیه ي فوقانی (مرز ستون نوسانگر هوا) به صورت متناوب تغییر نموده و متناسب با دو مشخصه ي سرعت نوسان سطح آب و افت مقطع فوقانی خروج هوا، فشار نسبی ستون هوا در این ناحیه، به صورت ضربانی حول مقدار فشار سطح آزاد آب (فشار هواي داخل محفظه در حالت غیر برانگیخته) نوسان می نماید. بازشدگی تعبیه شده در انتهاي ناحیه فوقانی، جریان تحت فشار هواي داخل محفظه را به سمت یک توربین هوایی هدایت می سازد. طراحی این توربین به این صورت است که بر اثر هر دو جهت نوسان سیال (رفت یا برگشت)، در یک جهت می چرخد. حاصل این فرایند، انتقال انرژي تراکمی جریان هواي خروجی به محور یک مولد الکتریکی و در نهایت تولید الکتریسیته خواهد بود .
تلاش هاي متعددي براي بررسی تحلیلی و آزمایشگاهی مشخصات هیدوردینامیکی OWC انجام شده است. انجام نخستین مطالعات موضوعی در زمینه ستون هاي نوسان گر آب، به عنوان دستگاهی براي جذب انرژي از امواج، به مطالعات انجام شده توسط ایوانس باز می گردد[1]. این مطالعات بر اساس تئوري جسم صلب انجام شده است به این معنا که حرکت سطح آزاد سیال درون OWC مانند یک پیستون صلب بی وزن در نظر گرفته شده است. نکته اصلی این است که هرگونه تغییر شکل در سطح آزاد آب در اثر فشار سطحی نادیده گرفته شده است. در ادامه تحقیقات، ایوانس و پرتر در سال 1995، جهت بهبود تئوري جسم صلب از یک مدل توزیع فشار براي به دست آوردن ضرایب هیدرودینامیکی ستون نوسانگر آب استفاده کردند[2]. مدل توزیع فشار مطلوب تر از مدل قبلی است زیرا با فیزیک پدیده هم خوانی بیشتري دارد و مدل دقیق تري را ارائه می دهد. وانگ و همکاران، براي بررسی عملکرد هیدرودینامیکی ستون نوسانگر آب، یک مدل عددي با استفاده از روش اجزاء محدود و بر اساس تئوري خطی موج ارائه کردند[3]. آن ها نشان دادند هنگامی که فرکانس تشدید رخ می دهد خواص غیر خطی موج افزایش می یابد و نتایج مدل ریاضی و آزمایشگاهی فاصله می گیرند. در سال 2007، موریس و همکارانش به صورت تجربی تاثیر پارامترهاي هندسی دستگاه ستون نوسانگر آب را مورد بررسی قرار دادند[4]. آبخور دیوار جلویی، ضخامت و شکل دریچه دیوار جلویی مغروق پارامترهاي اصلی تحقیق بودند. وي و همکارانش به این نتیجه رسیدند که افزایش آبخور دیوار جلویی باعث کاهش بازده هیدرودینامیکی در امواج کوتاه می شود. این نتیجه در مورد افزایش ضخامت دیواره جلویی تکرار می شود .
همچنین دریچه دایره اي عملکرد بهتري نسبت به دریچه مستطیلی دارد. در سال 2012 یک مدل عددي دو فازه با تصحیح جرمی2 و روش مرزي غوطه ور3 براي شبیه سازي اندرکنش موج با یک مخزن نیمه مغروق توسط ژانگ و همکارانش به دست آمد[5]. این مدل می تواند میزان نوسان آب داخل محفظه را به دست آورد. راندمان هیدرودینامیکی که توسط مدل عددي به دست آمده، نزدیکی بیشتري به نتایج آزمایشگاهی موریس، نسبت به نتایج تئوري تحلیلی خطی ایوانس دارد. آن ها علت تطابق بیشتر نتایجشان با مدل آزمایشگاهی نسبت به مدل تحلیلی را اتلاف انرژي در دهانه و جریانات گردابی کناره دیواره دانستند.
در مدل عددي حاضر سعی شده است تا با رویکردي نوین، مدلی ساده تر و کم هزینه تر در فضاي دوبعدي قائم ارائه شود تا بتوان با استفاده از آن مشخصات هیدوردینامیکی دستگاه ستون نوسانگر آب را مورد بررسی قرار داد.

مدل عددي
2-1 معادلات اساسی حاکم
معادلات حاکم بر جریان دو بعدي قائم، با انتگرال گیري از معادلات ناویر- استوکس در عرض واحد به دست می آید و شکل بقایی این معادلات به صورت زیر بیان می شود:

28385111100

u w  0
x z
123063142172

u (u2) (uw)1 P  u 
tx
txz x x  x 
217360141428

  u 
 tz
z  z 
122872142182

w (w2) (uw)1 P  w 
tx
tzx  z x x 
(3)
216789141611



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید