مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارزیابی تجربی میزان اثرگذاری ضرایب بی‌بعد هیدرودینامیکی بر عملکرد یک مبدل ستون نوسانی آب چند محفظه ای در مقیاس آزمایشگاهی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
بهراد علی زاده خارکشی 1
روزبه شفقت 2
امید جهانیان 2
کورش رضانژاد 3
رضوان عالمیان 4
1 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، گروه پژوهشی انرژی‌های دریاپایه، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، ایران
2 دانشیار مهندسی مکانیک، گروه پژوهشی انرژی‌های دریاپایه، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، ایران
3 محقق ارشد، موسسه فنی عالی لیسبون، دانشگاه لیسبون،لیسبون، پرتغال
4 محقق ارشد، گروه پژوهشی انرژی‌های دریاپایه، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، ایران
چکیده
شرایط امواج دریا تاثیر بسزایی بر رفتار هیدرودینامیکی ستون­های نوسانی آب دارد؛ به‌گونه‌ای که اثرات متقابل مبدل و امواج ورودی، در تعیین و ارزیابی ضرایب هیدرودینامیکی بی‌بعد بسیار مهم هستند. لذا با توجه به اهمیت این ضرایب در ارزیابی عملکرد مبدل‌های ستون نوسانی آب، در این مقاله، به ارزیابی تجربی ضرایب هیدرودینامیکی بی‌بعد در شرایط عملکردی مبدل ستون نوسانی چندمحفظه­ای پرداخته می‌شود. برای تعریف آزمون‌های تجربی، با درنظر گرفتن موقعیت نصب مبدل بر روی موج‌شکن، از شرایط دریای مازندران استفاده شده است. پس از کالیبراسیون تجهیزات و نیز آنالیز عدم قطعیت، آزمون‌های تجربی در استخر موج دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل انجام شده است. با توجه به نتایج به‌دست آمده، با فرض یک عمق آبخور بی‌بعد و ثابت، با افزایش فرکانس بی‌بعد موج برخوردی، ضریب بی‌بعد موج انتقال یافته، ضریب بی‌بعد موج انعکاس یافته، ضریب بی‌بعد تخلیه و ضریب بی‌بعد فشار افزایش می‌یابند. از طرف دیگر نتایج نشان می‌دهند، در اثر تغییر عدد بی‌بعد موج از 9/1 تا 3/3، ضرایب بی‌بعد تخلیه، موج انعکاس یافته، فشار و موج انتقال‌یافته به ترتیب 6/1 برابر، 2/2 برابر، 8/2 برابر و 5/3 برابر می‌شوند؛ یعنی ضریب بی­بعد موج انتقال یافته حساسیت بالایی نسبت به شرایط موج دارد؛ ضریب بی‌بعد تخلیه در مقایسه با دیگر ضرایب، تغییرات کمتری خواهد داشت. از طرفی نتایج نشان دادند که مبدل آزمایشگاهی در این تحقیق در بهترین حالت دارای راندمان 8/41% می­باشد. این راندمان در فرکانس طبیعی بی­بعد 88/0 و عمق آبخور بی­بعد 032/0 رخ می­دهد؛ در این شرایط دامنه نوسانات آب درون ستون نوسانی به 6/9 سانتی­متر می­رسد.
کلیدواژه‌ها
انرژی‌های تجدید پذیر
ستون نوسانی آب
ضرایب بی‌بعد هیدرودینامیکی
مطالعه تجربی

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental evaluation of the effect of dimensionless hydrodynamic coefficients on the performance of a multi-chamber oscillating water column converter in laboratory scale

نویسندگان English

Behrad Alizadeh Kharkeshi 1
Rouzbeh Shafaghat 2
Omid Jahanian 2
kourosh Rezanejad 3
Rezvan Alamian 4
1 PhD. Student, Sea-Based Energy Research Group, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
2 Associate Professor, Sea-Based Energy Research Group, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
3 Senior Research Associate, Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Lisbon, Portugal
4 Senior Research Associate, Sea-Based Energy Research Group, Babol Noshir-vani University of Technology, Babol, Iran
چکیده English

Wave conditions have a significant effect on the hydrodynamic behavior of OWC. As the interactions of the WEC and the incident waves are important, therefore, due to the importance of coefficients in evaluating the performance of the OWC, in this paper, the experimental evaluation of dimensionless hydrodynamic coefficients of a MC-OWC is applied. To define the experimental tests, considering the installation location of the converter on the break water, the conditions of the Caspian Sea implemented. Calibration and uncertainty analysis have performed, experimental tests have been carried out in the wave tank of the BNUT. According to the results, assuming a dimensionless water depth, with increasing dimensionless frequency of the wave, the dimensionless coefficient of transmitted wave, the dimensionless coefficient of reflected wave, dimensionless coefficient of discharge and the dimensionless coefficient of pressure increase. The results showed that due to the change of dimensionless wave number from 1.9 to 3.3, discharge coefficients, reflected wave, pressure and transmitted wave are 1.6 times, 2.2 times, 2.8 times, respectively, are 3.5 times, the dimensionless coefficient of the transmitted wave is highly sensitive to the wave conditions; the dimensional coefficient of discharge will have less changes compared to other coefficients. On the other hand, the results showed that the OWC in this study has an efficiency of 41.8% in the best case. This efficiency occurs at the dimensionless natural frequency of 0.88 and the dimensionless water intake depth of 0.032; under these conditions, the amplitude of water fluctuations inside the OWC reaches 9.6 cm.

کلیدواژه‌ها English

Renewable Energy
Oscillating Water Column
Dimensionless Hydrodynamic Coeffi-cient
Experimental Study
1. López I, Andreu J, Ceballos S, de Alegría IM, Kortabarria I. Review of wave energy technologies and the necessary power-equipment. Renewable and sustainable energy reviews. 2013;27:413-34.
2. Falcão AF, Henriques JC, Gato LM, Gomes RP. Air turbine choice and optimization for floating oscillating-water-column wave energy converter. Ocean engineering. 2014;75:148-56.
3. Suroso A. Hydraulic model test of wave energy conversion. Jurnal Mekanikal. 2005(19):84-94.
4. Morris-Thomas MT, Irvin RJ, Thiagarajan KP. An investigation into the hydrodynamic efficiency of an oscillating water column. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2007;129(4):273-8.
5. Ram K, Faizal M, Ahmed MR, Lee Y-H. Experimental studies on the flow characteristics in an oscillating water column device. Journal of Mechanical Science and Technology. 2010;24(10):2043-50.
6. Dizadji N, Sajadian SE. Modeling and optimization of the chamber of OWC system. Energy. 2011;36(5):2360-6.
7. Patel SK, Ram K, Ahmed MR. Effect of turbine section orientation on the performance characteristics of an oscillating water column device. Experimental thermal and fluid science. 2013;44:642-8.
8. Fairhurst J. Modelling and design of an oscillating wave energy converter: Stellenbosch: Stellenbosch University; 2015.
9. Dorrell D, Kazi S, Papadopoulos M, editors. Wave generator modelling using an oscillating water column and a wells turbine. third IASTED international conference on power and energy systems; 2003.
10. Iturrioz A, Guanche R, Armesto J, Alves M, Vidal C, Losada I. Time-domain modeling of a fixed detached oscillating water column towards a floating multi-chamber device. Ocean Engineering. 2014;76:65-74.
11. He F, Li M, Huang Z. An experimental study of pile-supported OWC-type breakwaters: energy extraction and vortex-induced energy loss. Energies. 2016;9(7):540.
12. Shalby M, Walker P, Dorrell DG. Modelling of the multi-chamber oscillating water column in regular waves at model scale. Energy Procedia. 2017;136:316-22.
13. Shalby M, Elhanafi A, Walker P, Dorrell DG. CFD modelling of a small–scale fixed multi–chamber OWC device. Applied Ocean Research. 2019;88:37-47.
14. Çelik A, Altunkaynak A. Experimental investigations on the performance of a fixed-oscillating water column type wave energy converter. Energy. 2019;188:116071.
15. Ashlin SJ, Sannasiraj S, Sundar V, Kamath A, Bihs H, editors. Effects of Power Take-Off Damping and Model Scaling on the Hydrodynamic Performance of Oscillating Water Column Device. Proceedings of the Fourth International Conference in Ocean Engineering (ICOE2018); 2019: Springer.
16. Rusu E, Onea F. Evaluation of the wind and wave energy along the Caspian Sea. Energy. 2013;50:1-14.
17. Nejad MF, Shariati O, Zin AABM, editors. Feasibility study of wave energy potential in southern coasts of Caspian Sea in Iran. 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO); 2013: IEEE.
18. Hadadpour S, Etemad-Shahidi A, Jabbari E, Kamranzad B. Wave energy and hot spots in Anzali port. Energy. 2014;74:529-36.
19. Alamian R, Shafaghat R, Miri SJ, Yazdanshenas N, Shakeri M. Evaluation of technologies for harvesting wave energy in Caspian Sea. Renewable and sustainable energy reviews. 2014;32:468-76.
20. Alamian R, Shafaghat R, Hosseini SS, Zainali A. Wave energy potential along the southern coast of the Caspian Sea. International journal of marine energy. 2017;19:221-34.
21. http://www.emec.org.uk/standards/: http://www.emec.org.uk/standards/; 2020 [
22. Yazdi H, Shafaghat R, Alamian R. Experimental assessment of a fixed on-shore oscillating water column device: Case study on oman sea. International Journal of Engineering. 2020;33(3):494-504.
23. Alizadeh Kharkeshi B, Shafaghat R, Alamian R, Aghajani Afghan AH. Experimental Analytical Hydrodynamic Behavior Investigation of an Onshore OWC-WEC Imposed to Caspian Sea Wave Conditions. International Journal of Maritime Technology.14(2020):1-12.
24. Connell KO, Thiebaut F, Kelly G, Cashman A. Development of a free heaving OWC model with non-linear PTO interaction. Renewable Energy. 2018;117:108-15.
25. Filianoti P, Camporeale SM. A linearized model for estimating the performance of submerged resonant wave energy converters. Renewable Energy. 2008;33(4):631-41.
26. Rezanejad K, Soares CG, López I, Carballo R. Experimental and numerical investigation of the hydrodynamic performance of an oscillating water column wave energy converter. Renewable Energy. 2017;106:1-16.
27. Shalby M, Walker P, Dorrell DG, editors. The investigation of a segment multi-chamber oscillating water column in physical scale model. 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA); 2016: IEEE.
28. Roy S, Saha UK. Wind tunnel experiments of a newly developed two-bladed Savonius-style wind turbine. Applied Energy. 2015;137:117-25.
29. Dean RG, Dalrymple RA. Water wave mechanics for engineers and scientists: world scientific publishing company; 1991.
30. Heath T. A review of oscillating water columns. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012;370(1959):235-45.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 12
آذر 1400
صفحه 823-834