Modellazione numerica del wave energy converter EDS

Wave Energy Converters (WEC) are devices aimed at exploiting wave energy for producing electric energy or perform operations such as desalination or water pumping; they are subject of technical and scientific research by several universities and companies. The aim of this thesis is the numerical modelling, through the use of the CFD software FLOW-3D, of a particular WEC that has been subject of experimental tests at the Politecnico di Milano: the EDS (Energy Double System), an oscillating-body system with two degrees freedom, composed by a heaving float and a surging paddle. The two bodies are interconnected and react against the ground through two dampers, whose purpose is to absorb energy. The numerical model was verified on the basis of the available experimental tests. The first simulations were aimed at reproducing the monochromatic waves of the laboratory tests, which were carried out in a channel 30 m long with a beach at the end. Two different setups were used, in which the geometry of the experimental channel was reproduced: the first one has reproduced the generation and the propagation of the wave in the channel starting from the experimental motion of the wavemaker; the second one only reproduced the wave propagation starting from the experimentally measured wave properties. In the rest of the work, the second method was used, as the former overestimated the amplitude of the wave. On the basis of the experimental model of the EDS system, a mathematical model has been realized with a simplified geometry, characterized by two linear motion equations in the two degrees of freedom of the system, obtained by a linearization around the static equilibrium configuration. The mathematical model became necessary because, having simplified the geometry of the experimental model, it was needed to establish the equivalence between the experimental model and the numerical one, obtained through the equality (in the experimental and numerical models) of the mechanical parameters (mass, damping, stiffness) contained in the equations of the mathematical model. Once that a numerical model of the EDS equivalent to the experimental system was created, it was subjected to the previously modeled monochromatic waves. As in the experimental tests, the behavior of the system without the paddle was also studied. The numerical simulations reproduced with reasonable similarity the experimental results, although an overestimation of the oscillation amplitude and of the energy absorption of the float and the paddle was observed. The investigation of the possible causes of this discrepancy suggests that the simplification of using linear dampers in the numerical model instead of non-linear (as in the experimental model) is the most probable cause. Once the goodness of the numerical method has been verified, simulations of new configurations of the EDS system have been carried out. In a first series of simulations, the damping of the paddle was optimized, testing different values (the damping of the paddle was not experimentally optimized yet). Subsequently, the EDS behavior was investigated in random waves that were energetically equivalent to the previously simulated monochromatic waves. It has been found that the EDS system subjected to random waves shows a decrease in the average power of the order of 25-35% compared to when it is subjected by regular waves with equal power.

I Wave Energy Converter (WEC) sono dispositivi volti a sfruttare l’energia del moto ondoso per produrre energia elettrica o compiere operazioni quali la desalinizzazione o il pompaggio dell’acqua; essi sono oggetto di ricerca tecnica e scientifica da parte di numerose università e aziende. L’obiettivo di questa tesi è la modellazione numerica, tramite il software CFD FLOW-3D, di un particolare WEC che da anni è oggetto di test sperimentali al Politecnico di Milano: l’EDS (Energy Double System), un sistema a corpi oscillanti a due gradi di libertà composto da un galleggiante in heave e da una pala in surge. I due corpi sono interconnessi e reagiscono a terra tramite due smorzatori che hanno lo scopo di assorbirne l’energia. Il modello numerico costruito in questa tesi è stato verificato sulla base dei test sperimentali disponibili. Le prime simulazioni hanno avuto lo scopo di riprodurre le onde monocromatiche dei test di laboratorio, effettuati in un canale di circa 30 m con al termine una spiaggia. Sono stati utilizzati due differenti setup, in cui si è riprodotta la geometria del canale sperimentale: il primo ha riprodotto la generazione e propagazione dell’onda nel canale a partire dal moto del wavemaker misurato sperimentalmente; il secondo ha riprodotto solo la propagazione dell’onda a partire dalle proprietà dell’onda misurate sperimentalmente. Nel proseguo del lavoro è stato utilizzato il secondo metodo, in quanto il primo sovrastimava l’ampiezza dell’onda. Sulla base del modello sperimentale del sistema EDS, è stato realizzato un modello matematico con geometria semplificata, caratterizzato da due equazioni del moto lineari nei due gradi di libertà del sistema, ottenute mediante linearizzazione attorno alla configurazione di equilibrio statico. Il modello matematico si è reso necessario in quanto, avendo semplificato la geometria del modello sperimentale, era necessario stabilire l’equivalenza tra quest’ultimo ed il modello numerico, ottenuta tramite l’uguaglianza (nei modelli sperimentale e numerico) dei parametri meccanici (massa, smorzamento, rigidezza) contenuti nelle equazioni del modello matematico. Una volta costruito un modello numerico del sistema EDS equivalente a quello sperimentale, esso è stato sottoposto alle onde monocromatiche precedentemente modellate. Come nei test sperimentali, è stato studiato anche il comportamento del sistema senza pala. Le simulazioni numeriche hanno riprodotto con ragionevole somiglianza i risultati sperimentali, anche se si è osservata una sovrastima dell’ampiezza di oscillazione e dell’assorbimento energetico di galleggiante e pala. Indagate le possibili cause di questa discrepanza, è emerso che la semplificazione di avere utilizzato smorzatori lineari nel modello numerico invece di non lineari (come invece nel modello sperimentale) è la causa più probabile. Verificata quindi la bontà del metodo numerico, sono state eseguite simulazioni di nuove configurazioni del sistema EDS, per ampliarne la conoscenza. In una prima serie di simulazioni, si è ottimizzato lo smorzamento della pala, testandone diversi valori (esso non era stato ottimizzato sperimentalmente). Successivamente, si è indagato il comportamento dell’EDS in onde random energeticamente equivalenti a quelle monocromatiche simulate precedentemente. Si è constatato che il sistema EDS sottoposto ad onde random presenta un calo della potenza media dell’ordine del 25-35% (relativamente alle onde testate) rispetto a quando viene sollecitato da onde regolari con ugual potenza.