هيدروديناميك بويه مهار شده با رويكرد بهبود در جذب انرژي موج

Hydrodynamics of restrained buoy with an approach to wave energy absorption enhancement

در مبدل‌هاي تك-بدنه جاذب نقطه‌اي انرژي موج اقيانوسي، نوساناتِ يك جسم شناور (بويه) عامل اصلي توليد الكتريسيته است. بهينه‌سازي هندسه بويه راهي براي افزايش راندمان در اين مبدل‌ها محسوب ‌مي‌شود. در تحقيق حاضر، فرآيندِ جذب انرژي موج در مبدل جاذب نقطه‌اي، به يك سيستم فنر-‌ميراگر خطي شبيه‌سازي شده‌است. دو هندسه براي بويه مبدل مدل‌سازي‌شده (بويه مخروطي و بويه كپ‌كروي) در نظر گرفته‌شده‌است. بررسي تأثير هندسه بويه بر ديناميك آن در موج غيرخطي و همچنين، مقايسه عملكرد ديناميكي دو بويه‌ بر راندمان مبدل انرژي موج انجام شده‌است. نحوه يكسان‌سازي شرايط محيطي و مدل‌سازي دو مدل مهارشده، موردبحث قرارگرفته‌است و يك روش يكسان‌سازي پيشنهاد شده‌است. انرژي مؤثر موج بر هر مدل، بر اساس مشخصات هندسه بويه آن، محاسبه‌شده است. سپس، تحليل هيدروديناميك مُدل مهارشده، به روش المان مرزي و با رعايت حاكميت استفاده از تئوري تفرق انجام‌شده است. موج برخوردي به مدل، موج استوكس مرتبه دوم در نظر گرفته‌شده است. نتايج در حوزه زمان و فركانس به‌دست‌آمده است و با نتايج پژوهش‌ِ در دسترس، اعتبار سنجي شده است. حداكثر پاسخ ديناميكي بويه مهارشده با هندسه كَپ‌ِكروي در هيو و سرج (جهت قائم و افق) به ترتيب؛ حدود 4/4 و 11/3درصد بيشتر از مدل ديگر مي‌باشد. ضمناً، مبدل مدل‌سازي شده با بويه كَپ‌ِكروي نسبت به مدل با بويه مخروطي، در جذب انرژي موج موفق‌تر است. متوسط درصد جذب انرژي موج در مبدل مدل‌سازي شده با بويه كَپ‌كروي در حدود 2/2 تا 2/5 درصد بيشتر از مدل ديگر است. متوسط درصد جذب انرژي موج توسط دو مدل، بين 20 تا 24 درصد پيش‌بيني‌شده است.

In single-body converters of ocean wave energy, oscillations of a floating body (buoy) serve as the main driving force for electricity generation. Buoy geometry optimization is known as an approach to enhance the efficiency of these converters. In the present research, the process of wave energy absorption in point absorber converter is modeled as a spring-damper system. Two geometries are considered for the buoy of the converter (conical and spherical-cap). The effects of buoy geometry on its dynamics in the nonlinear wave are investigated and comparison of these effects on dynamic performances of the modeled converter is reported. Equalization of environmental conditions and modeling of the two models were discussed, and a new equalization method was proposed. Effective wave energy on each model was calculated based on geometrical characteristics of the corresponding buoy. Then, the models were hydrodynamically analyzed via boundary element method by taking the diffraction theory as the governing theory. The incident wave was assumed to be a second-order Stokes wave. Results were obtained in both time and frequency domains and validated against the results of available research. Maximum dynamic responses of the restrained buoy with spherical-cap geometry in heave and surge (vertical and horizontal directions, respectively) were found about 4.4% and 11.3% higher than the conical buoy, respectively. The average percentage of absorbed wave energy by the modeled converter with spherical-cap buoy was about 2.2-2.5% higher than that of the other model. The average percentage of absorbed energy by the models waspredicted to range within 20-24%.