3049-100737

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(61-68)

شبیه سازي عددي اندرکنش موج با واحد نیروگاهی ستون نوسان گر آب در فضاي یک بعدي

سید حمیدرضا صاحبالزمانی1، مسعود منتظري نمین2

کارشناس 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

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 07/01/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

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

Numerical Simulation of Wave Interaction with Oscillating Water Column in One Dimension

Seyed Hamidreza Sahebalzamani1*, Masoud Montazeri Namin2
1* MSc, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]
2 Assistant professor,School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

واحد نیروگاهی ستون نوسان گر آب از جمله ابزار موجود براي بهره برداري از منابع عظیم انرژي در دریاست. در این مقاله مدلی عددي براي شبیه سازي اندرکنش موج و ستون نوسان گر آب در فضاي یک بعدي به زبان فرترن ارائه شده است. معادلات حاکم، معادلات شیب ملایم می باشند. مقادیر فشار و تراز آب درون دستگاه ستون نوسان گر آب با استفاده از یک روش تکراري محاسبه می شود. در ابتداي کانال، مرز امواج انعکاس یافته را به طور کامل جذب می کند. با استفاده از آزمون هاي متداول صحت مدل تایید شده است. با حصول اطمینان از عملکرد صحیح 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.

Oscillating water column (OWC) is one of the wave energy converting devices available. In this article, a numerical model has been introduced to simulate wave interaction with OWC in one dimensional plane. Mild slope equations have been used in one dimension. The pressure and water elevation inside OWC have been calculated
using an iterative method. Also an absorbing boundary is used at the beginning of the canal .
Conventional test cases were used in order to verify the model such as sinusoidal waves. After the 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.

Article History:
Received: 27 Mar. 2014
Accepted 13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015

Keywords:
Oscillating Water Column
Wave interaction
Volume of fluid method

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 آب یکی از آن هاست (شکل 1).
تلاش هاي متعددي براي بررسی تحلیلی و آزمایشگاهی مشخصات هیدوردینامیکی 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 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 رزونانس 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 جرمی و روش مرزي غوطه ور براي شبیه سازي اندرکنش موج با یک مخزن نیمه مغروق توسط ژانگ و همکارانش به دست آمد[5]. این مدلمی 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 که یک مدل یک بعدي است، سعی شده است تا با استفاده از روشی ساده و کم هزینه تر، پیش بینی مشخصات کلی دستگاه ستون نوسان گر آب امکان پذیر شود. مدل براي محاسبه راندمان دستگاه و همچنین اثر تغییرات آبخور دیواره جلویی دستگاه استفاده شده است.

1- مدل عددي
2-1 معادلات اساسی حاکم
معادلات حاکم بر موج یک بعدي، معادلات شیب ملایم، عبارتند از
:[6]

 Cg  q
220409-12698

 C . t  x  .0
 (۱)

q  C C.

 .0
tg x

که در این رابطه  تراز سطح آب نسبت به تراز مبنا، C سرعت تغییرشکل موج ،Cg سرعت گروهی موج و q فلاکسی است که بعنوان پارامتر کمکی براي تجزیه معادله استفاده شده است .با گسسته سازي رابطه دوم و مرتب کردن آن بر حسب ترازهاي آب ،رابطه فوق به شکل زیر بازنویسی می شود:

qn11 ai1in11 ai2in1 ai3 (۲)
i

2

که در آن:

a1i 

t C C.g
x
ai2 

t C C.g (۳)
x
50196849873

ai3 



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید