Validation of an OpenFOAM computational numerical wave tank of the wavestar wave energy converter

The increasing global demand for renewable energy solutions has driven extensive research into wave energy as a sustainable and abundant resource. Numerical wave tanks (NWTs) have become essential tools in evaluating wave-structure interactions, offering a cost-effective alternative to experimental testing. This thesis focuses on the validation of a Computational Numerical Wave Tank (CNWT) using OpenFOAM, assessing its capability to simulate wave propagation, wave-structure interactions, and the response of a floating body under wave excitation. The study develops a CFD-based NWT and systematically validates it against experimental data from the SWELL project. A series of test cases—including wave-only propagation, wave excitation, diffraction, and uncontrolled device motion—are conducted to assess the model’s accuracy. Mesh resolution, wave generation and absorption techniques, and numerical interpolation schemes (SLERP algorithm) are carefully examined to optimize simulation fidelity. The results demonstrate strong agreement between numerical and experimental data, particularly in wave height predictions and phase-averaged free surface elevation. However, minor discrepancies were observed in floating body motion, with the numerical model predicting slightly larger displacements than experiments, highlighting areas for further refinement. The findings confirm that OpenFOAM-based CNWTs can reliably simulate wave interactions with floating structures while significantly reducing computational cost through optimized wave absorption boundary conditions. Future work should focus on enhancing floating body motion predictions, refining mesh resolution strategies, and integrating advanced turbulence modelling to further improve simulation accuracy. This research contributes to the advancement of numerical wave modelling methodologies, reinforcing OpenFOAM’s applicability in wave energy research and marine engineering.

L’aumento della domanda globale di soluzioni per l'energia rinnovabile ha stimolato un'ampia ricerca sull'energia delle onde come risorsa sostenibile e abbondante. I canali numerici per onde (Numerical Wave Tanks - NWTs) sono diventati strumenti essenziali per valutare le interazioni onda-struttura, offrendo un'alternativa economicamente vantaggiosa rispetto ai test sperimentali. Questa tesi si concentra sulla validazione di un Serbatoio computazionale a onde numeriche (CNWT) utilizzando OpenFOAM, valutandone la capacità di simulare la propagazione delle onde, le interazioni onda-struttura e la risposta di un corpo galleggiante sotto eccitazione ondosa. Lo studio sviluppa un NWT basato su CFD e lo valida sistematicamente rispetto ai dati sperimentali del progetto SWELL. Una serie di casi di test—tra cui propagazione delle onde, eccitazione ondosa, diffrazione e moto non controllato del dispositivo—viene condotta per valutare l'accuratezza del modello. La risoluzione della mesh, le tecniche di generazione e assorbimento delle onde e gli schemi di interpolazione numerica (algoritmo SLERP) vengono analizzati con attenzione per ottimizzare la fedeltà della simulazione. I risultati mostrano una forte concordanza tra i dati numerici e sperimentali, in particolare nelle previsioni dell'altezza dell'onda e dell'elevazione della superficie libera mediata sulla fase. Tuttavia, sono state osservate lievi discrepanze nel movimento del corpo galleggiante, con il modello numerico che prevede spostamenti leggermente superiori rispetto agli esperimenti, evidenziando aree da perfezionare ulteriormente. I risultati confermano che i CNWT basati su OpenFOAM sono in grado di simulare in modo affidabile le interazioni tra onde e strutture galleggianti, riducendo significativamente i costi computazionali grazie a condizioni al contorno ottimizzate per l'assorbimento delle onde. Il lavoro futuro dovrebbe concentrarsi sul miglioramento delle previsioni del moto del corpo galleggiante, sull'ottimizzazione della risoluzione della mesh e sull'integrazione di modelli avanzati di turbolenza per migliorare ulteriormente l'accuratezza della simulazione. Questa ricerca contribuisce all'avanzamento delle metodologie di modellazione numerica delle onde, rafforzando l’applicabilità di OpenFOAM nella ricerca sull'energia delle onde e nell'ingegneria marina.