< Terug naar vorige pagina

Project

Hydrodynamische modellering van golfenergieconvertorparken

Golfenergie uit windgolven in de oceaan of in de zee wordt geabsorbeerd door middel van golfenergieconvertoren (GECs). In dit onderzoek worden drijvende "point absorber" GECs, ofwel boeien die drijven op het wateroppervlak, bestudeerd. Deze drijvende "point absorber" GECs die zich in de oceaan of in de zee bevinden, reageren op invallende golven en beginnen te bewegen in zes vrijheidsgraden. De GECs absorberen energie uit de golven door middel van een PTO ("power take-off") systeem dat de GEC-beweging omzet in elektriciteit. Om een aanzienlijke hoeveelheid golfenergie te absorberen op een kostenefficiënte manier, worden een aantal GECs bij elkaar geplaatst op een bepaalde locatie. De individuele GECs worden gerangschikt in een array lay-out (of een matrix of park) met een welbepaalde geometrische configuratie. Als de individuele GECs dicht bij elkaar geplaatst worden, zullen ze niet enkel elkaar maar ook de totale elektriciteitsproductie van de GEC array beïnvloeden ("near-field" effecten). Ten eerste verstoort de aanwezigheid van een GEC het invallende golfveld door zowel golfreflectie als golfdiffractie. Ten tweede leidt de beweging van een GEC tot het genereren van golven, die geradieerde golven worden genoemd. Het golfveld rond een GEC wordt dus verstoord door een combinatie van invallende, gereflecteerde, gediffracteerde en geradieerde golven. Dit leidt tot zones met hogere of lagere golfhoogtes in vergelijking met het inkomende golfveld. Het geval waarin één GEC wordt gepositioneerd in het zoggebied van een andere GEC waar lagere golfhoogtes worden waargenomen, moet vermeden worden. Door de individuele GECs in de zones met hogere golfhoogtes te plaatsen, neemt de totale energie absorptie en elektriciteitsproductie van de GEC array aanzienlijk toe. Naast deze "near-field" effecten heeft een GEC array ook een invloed op het golfklimaat over een grotere afstand ("far-field" effecten). De afname in golfhoogtes achter een GEC array heeft gevolgen voor andere gebruikers in de zee, het milieu of zelfs de kustlijn.

In dit onderzoek worden enkel de "near-field" effecten behandeld. De GECs worden getest in een driedimensionale (3D) niet-lineaire viskeuze numerieke golftank (NGT). De NGT is geïmplementeerd in een model gebaseerd op numerieke stromingsmechanica (CFD), OpenFOAM, en bestaat uit twee fluïdumfasen: water met lucht erbovenop. De 3D onsamendrukbare Navier-Stokes vergelijkingen, die de fysica met een zeer hoge nauwkeurigheid beschrijven, worden opgelost op een rooster in een numeriek domein. De positie van het vrij water oppervlak wordt bepaald door het oplossen van een advectie vergelijking voor de volumefractie van water, geformuleerd volgens de "volume of fluid" (VoF) methode. Traditioneel wordt voor GEC modellering gebruik gemaakt van lineaire modellen gebaseerd op de randelementenmethode ("boundary element method", BEM) voor het oplossen van de potentiaalstroming. Maar toch is CFD noodzakelijk om simulaties te kunnen uitvoeren betreffende de overlevingskansen van GECs die onderworpen worden aan brekende golven. CFD is ook vereist wanneer regelmethoden worden toegepast. Hierbij gaan de GEC bewegingen in resonantie waarbij significante niet-lineaire en viskeuze effecten in combinatie met grote GEC bewegingen zich voordoen. Dit onderzoek richt zich op het verkleinen van twee kennishiaten betreffende een NGT. Het eerste heeft te maken met verbeterde turbulentiemodellering voor NGTs die gebruik maken van een tweefasig stromingsmodel. Dit is bovendien toepasbaar voor een breed gamma van kustwaterbouwkundige en offshore processen zoals golf-structuur interactie, golf-stroming interactie, golfbreking, sedimenttransport, enz. Het tweede hiaat vindt men terug bij fluïdum-structuur interactie simulaties van een drijvend object. Hierbij kunnen zich instabiliteiten voordoen tussen het stromingsmodel en het bewegingsmodel ten gevolge van "added mass" effecten. Tijdens dit onderzoek zijn verbeterde voorspellingsmethoden ontwikkeld voor turbulentiemodellering en efficiënte fluïdum-structuur interactie simulaties in een NGT. Al deze ontwikkelde methoden worden gekoppeld en gevalideerd door gebruik te maken van experimentele gegevens die verkregen zijn door metingen in een fysieke golfgoot of golfbassin.

Datum:22 apr 2016 →  20 jun 2018
Trefwoorden:Coastal and offshore engineering, Wave energy, Numerical modeling
Disciplines:Bouwkunde en constructietechnologie, Aardbevingsengineering, Geotechnische en omgevingsingenieurswetenschappen, Waterbouwkunde, Windtechnologie
Project type:PhD project