Post on 07-Oct-2020
A. Iturrioz, J. Sarmiento, J. A. Armesto, R. Guanche
Instituto de Hidráulica Ambiental de Cantabria – IHCantabria Universidad de Cantabria
www.ihcantabria.com
MODELADO HÍBRIDO PARA EL DESARROLLO DE DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN DE
ENERGÍA DEL OLEAJE
Escala reducida
Introducción: Modelado híbrido
MODELADO NUMÉRICO
Float
Buoy
MODELADO FÍSICO
Escala prototipo Calibración / Validación
Reducción costes/tiempo
Modelado FÍSICO
Modelado híbrido de WECs en IHCANTABRIA
Se ha ensayado una amplia tipología
de WECs: EJEMPLOS
+
Modelado NUMÉRICO
•Modelos comerciales: SESAM OpenFOAM Fluent …
•Modelos simplificados:
Dominio de ω Dominio de t.
Emplazamientos energéticos.
2. Partes móviles limitadas Mantenimiento.
3. Diseño adaptable Comercialización.
Fixed
Floating
Multi chamber
Offshore
Shoreline …
Dispositivos de tipo Columna de Agua Oscilante (OWC)
1. Robustez
4. Movimiento relativo entre 2 cuerpos (1 agua) Coste.
¿Por qué?
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.
3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.
EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Modelado FÍSICO
0.20 m
• CANAL: 20.60 m x 0.68 m x 0.75 m. • E: 1/30. • PTO: orificio variable
(Ap=4,5 mm) (Ap=9 mm)
O. regular O. irregular
Disposición experimental
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Modelado FÍSICO
Instrumentación de la OWC
SL interior
Sensores de presión Anemómetro
bidimensionalidad
Modelado NUMÉRICO
MODELADO FÍSICO
Calibración y validación
Diseño conceptual Comparaciones conceptuales. Simples y eficientes. Hipótesis de linealidad.
Diseño No linealidades: Fricción. PTO.
Aumento del coste computacional.
Análisis detallado: Turbulencia Deformación de la SL. Flujo de aire …
Alto coste computacional.
Dom ω Dom t CFD
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Modelado numérico para distintas necesidades del desarrollo
Climate scenario: occurrence matrix
Power production
estimation
Selección de la localización: Dom ω NM: power matrix
Modelado NUMÉRICO
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Mejora de la estimación de la producción: Dom t •Amortiguamiento por PTO optimizado para cada estado de mar. •Fricción en la entrada sumergida: calibrada. •Coeficiente de descarga: calibrado.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050
100
200
300
400
500
H/L
k l(kg/
s) a
nd k nl
(kg/
m)
Calibrated kl
Calibrated knl
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-50
0
50
100
150
200
H/L
E(%
)
kl=k
nl=0
Calibrated kl and k
nl
LINEAR/NON-LINEARRANGE
LINEAR RANGE NON-LINEAR RANGE
-25%
Modelado NUMÉRICO
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Análisis detallado de las dinámicas alrededor de la cámara: CFD Presión de aire en la cámara
Velocidad vertical del aire
Vorticidad en el aire
Vorticidad en el agua
Modelado NUMÉRICO
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara
Validación CFD
30 35 40 45 50 55 60-101234
t(s)
Vel
Z (m
/s)
LaboratoryIHFOAM
30 35 40 45 50 55 60-101234
Vel
Y (m
/s)
t(s)
30 35 40 45 50 55 60-101234
Vel
X (m
/s)
t(s)
(C24, H=0.08 m y T=1.3 s, apertura=9 mm)
Superficie libre
Presión
Velocidad aire
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.
3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.
EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs
123
REGULAR WAVES IRREGULAR WAVES Case H (m) T (s) Case Hs (m) Tp (s) C11 0.05 1.118 Ir11 0.075 1.5205 C12 0.05 1.789 Ir12 0.075 2.6162 C13 0.05 2.337 Ir13 0.075 4.0249 C14 0.05 4.025 Ir21 0.150 1.5205 C21 0.10 1.118 Ir22 0.150 2.6162 C22 0.10 1.789 Ir23 0.150 4.0249 C23 0.10 2.337 Ir31 0.225 1.5205 C24 0.10 4.025 Ir32 0.225 2.6162 C31 0.15 1.118 Ir33 0.225 4.0249 C32 0.15 1.789 Ir42 0.300 2.6162 C33 0.15 2.337 Ir43 0.300 4.0249 C34 0.15 4.025 Ir53 0.350 4.0249
• E=1/20 • h=1.5 m • Acero • L. triángulo: 1.8 m / L. hexágono: 0.375 m.
• SL • PG • Anemómetro ultrasónico / hilo caliente
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS
Modelado FÍSICO
Radius of the orifice (m) R=0.04 m R=0.08 m R=0.16 m
Disposición experimental
Instrumentación
PTO: orificio variable
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS
Modelado NUMÉRICO
• Ecuación de Cummins (1962) para cuerpo flotante en el dominio del tiempo:
• Coeficientes hidrodinámicos: WADAM (WAMIT).
𝑚𝑚 + 𝐴𝐴∞,𝑖𝑖𝑖𝑖 �̈�𝑧 𝑡𝑡 = � 𝐾𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑡𝑡 − 𝜏𝜏 �̇�𝑧 𝜏𝜏 𝑑𝑑𝜏𝜏 + 𝐹𝐹𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 + 𝐹𝐹ℎ𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑒𝑒𝑦𝑦𝑒𝑒 𝑡𝑡 − 𝐹𝐹𝑓𝑓𝑦𝑦𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 − 𝐹𝐹𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡)𝑒𝑒
0
Calibración experimental del modelo numérico
𝐹𝐹𝑓𝑓𝑦𝑦𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 = (𝑘𝑘𝑒𝑒𝑛𝑛 �̇�𝑧(𝑡𝑡) )�̇�𝑧(𝑡𝑡)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.080
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5x 104
Hinci
/Linci
k nl (k
g/m
)
meanOWC1OWC2OWC3Hinci/Linci<0.02
Hinci/Linci>0.02
�̇�𝑚𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦 𝑡𝑡 = 𝑐𝑐𝑦𝑦𝐴𝐴𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(∆𝑃𝑃(𝑡𝑡))2𝑚𝑚𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡) ∆𝑃𝑃(𝑡𝑡)
𝑉𝑉𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡)
1/2
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
c d
Hinci/Linci
meanfitting
Modelado numérico en el dominio del tiempo
o H=0,10 m, T=1,789 s. o Top opening: R=0,16 m.
Superficie libre
• Casos de apertura mínima, influencia significativa de la presión del aire.
Presión del aire Oleaje REGULAR
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m
), OW
C 1
t (s)
Experimental data
Num. model (calibrated Ffric and cd)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m
), OW
C 2
t (s)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m
), OW
C 3
t (s)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40
-20
0
20
40
∆ P
(Pa)
, OW
C 1
t (s)
Experimental data
Num. model (calibrated Ffric and cd)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40
-20
0
20
40
∆ P
(Pa)
, OW
C 2
t (s)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40
-20
0
20
40∆
P (P
a), O
WC
3
t (s)
Validación del modelo numérico
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS
Modelado NUMÉRICO
o Hs=0,15 m, Tp=1,5205 s. o Top opening: R=0,04 m.
Oleaje IRREGULAR
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m)
, OW
C 1
t (s)
Experimental dataNum. model (calibrated Ffric and cd )
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m)
, OW
C 2
t (s)
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
z (m)
,OW
C 3
t (s)
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200
-100
0
100
200
∆ P (P
a), O
WC
1
t (s)
Experimental dataNum. model (calibrated Ffric and cd)
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200
-100
0
100
200
∆ P (P
a), O
WC
2t (s)
390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200
-100
0
100
200
∆ P (P
a), O
WC
3
t (s)
• Apertura superior mínima, influencia significativa de la presión de aire. • knl y cd: sustituyendo H/T por Hs/Tp en la calibración obtenida para oleaje regular.
Superficie libre Presión de aire
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS
Modelado NUMÉRICO Validación del modelo numérico
1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.
2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.
3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.
EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs
3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara: Proyecto MERMAID
OWT
3 x OWC
Modelado FÍSICO
Platform Characteristics
Platform mass 8931 tn
Platform draft 18 m
Water depth 105 m
External diameter OWCs 17.99 m
Internal diameter OWCs 11.97 m
Number of mooring lines 4
Mooring line weight 365 kg/m
Mooring line length 570 m
Natural T Objective Final
Heave >18 s 19 s
Roll >18 s 23 s
Pitch >18 s 23 s
CCOB, IHCantabria Ensayos: • Oleaje Regular • Oleaje Irregular • Con/sin viento • Con/Sin corrientes
Instrumentación: • Qualysis • LC: nacelle y fondeo • FS • PG • ADV
PTO OWC: Orificio variable
3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara: Proyecto MERMAID
Modelado NUMÉRICO
• Sistema de fondeo: M. cuasiestático
• Fuerzas viento: M. cuasiestático.
• Influencia de las OWC
Aspectos clave para el modelado de la plataforma
Heave / Roll / Pitch
H=3 m, T=10 s, r=0.02 m
Hs=3 m, Tp=10,39 s, r=0.02 m
• Necesidad y potencial del modelado híbrido para el desarrollo de la energía undimotriz
Modelado CFD Modelos simplificados
CALIBRACIÓN VALIDACIÓN
Análisis experimental
DISEÑO ENSAYOS
DISEÑO ENSAYOS
CONCLUSIONES
AGRADECIMIENTOS
Proyecto IISIS: This research has been founded by the CDTI INNPRONTA project “Investigación Integrada Sobre Islas Sostenibles” (IISIS). Authors acknowledge to Fomento de Construcciones y Contratas (FCC) and Berenguer Ingenieros S.L., the permission to present their GBF designs and the data presented in this paper. Proyecto MERMAID: This work has been part of a research project MERMAID (Innovative Multi-purpose off-shore platforms: planning, design and operation Grant Agreement no.: 288710. Seventh Framework Programme Theme [OCEAN.2011-1]).
A. Iturrioz, J. Sarmiento, J. A. Armesto, R. Guanche
iturrioza@unican.es
Instituto de Hidráulica Ambiental de Cantabria – IHCantabria Universidad de Cantabria
www.ihcantabria.com
Gracias por vuestra atención.