A. Iturrioz, J. Sarmiento, J. A. Armesto, R. Guanche

Instituto de Hidráulica Ambiental de Cantabria – IHCantabria Universidad de Cantabria

www.ihcantabria.com

MODELADO HÍBRIDO PARA EL DESARROLLO DE DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN DE

ENERGÍA DEL OLEAJE

Escala reducida

Introducción: Modelado híbrido

MODELADO NUMÉRICO

Float

Buoy

MODELADO FÍSICO

Escala prototipo Calibración / Validación

Reducción costes/tiempo

Modelado FÍSICO

Modelado híbrido de WECs en IHCANTABRIA

Se ha ensayado una amplia tipología

de WECs: EJEMPLOS

+

Modelado NUMÉRICO

•Modelos comerciales: SESAM OpenFOAM Fluent …

•Modelos simplificados:

Dominio de ω Dominio de t.

Emplazamientos energéticos.

2. Partes móviles limitadas Mantenimiento.

3. Diseño adaptable Comercialización.

Fixed

Floating

Multi chamber

Offshore

Shoreline …

Dispositivos de tipo Columna de Agua Oscilante (OWC)

1. Robustez

4. Movimiento relativo entre 2 cuerpos (1 agua) Coste.

¿Por qué?

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.

3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.

EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Modelado FÍSICO

0.20 m

• CANAL: 20.60 m x 0.68 m x 0.75 m. • E: 1/30. • PTO: orificio variable

(Ap=4,5 mm) (Ap=9 mm)

O. regular O. irregular

Disposición experimental

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Modelado FÍSICO

Instrumentación de la OWC

SL interior

Sensores de presión Anemómetro

bidimensionalidad

Modelado NUMÉRICO

MODELADO FÍSICO

Calibración y validación

Diseño conceptual Comparaciones conceptuales. Simples y eficientes. Hipótesis de linealidad.

Diseño No linealidades: Fricción. PTO.

Aumento del coste computacional.

Análisis detallado: Turbulencia Deformación de la SL. Flujo de aire …

Alto coste computacional.

Dom ω Dom t CFD

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Modelado numérico para distintas necesidades del desarrollo

Climate scenario: occurrence matrix

Power production

estimation

Selección de la localización: Dom ω NM: power matrix

Modelado NUMÉRICO

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Mejora de la estimación de la producción: Dom t •Amortiguamiento por PTO optimizado para cada estado de mar. •Fricción en la entrada sumergida: calibrada. •Coeficiente de descarga: calibrado.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050

100

200

300

400

500

H/L

k l(kg/

s) a

nd k nl

(kg/

m)

Calibrated kl

Calibrated knl

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-50

0

50

100

150

200

H/L

E(%

)

kl=k

nl=0

Calibrated kl and k

nl

LINEAR/NON-LINEARRANGE

LINEAR RANGE NON-LINEAR RANGE

-25%

Modelado NUMÉRICO

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Análisis detallado de las dinámicas alrededor de la cámara: CFD Presión de aire en la cámara

Velocidad vertical del aire

Vorticidad en el aire

Vorticidad en el agua

Modelado NUMÉRICO

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara

Validación CFD

30 35 40 45 50 55 60-101234

t(s)

Vel

Z (m

/s)

LaboratoryIHFOAM

30 35 40 45 50 55 60-101234

Vel

Y (m

/s)

t(s)

30 35 40 45 50 55 60-101234

Vel

X (m

/s)

t(s)

(C24, H=0.08 m y T=1.3 s, apertura=9 mm)

Superficie libre

Presión

Velocidad aire

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.

3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.

EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs

123

REGULAR WAVES IRREGULAR WAVES Case H (m) T (s) Case Hs (m) Tp (s) C11 0.05 1.118 Ir11 0.075 1.5205 C12 0.05 1.789 Ir12 0.075 2.6162 C13 0.05 2.337 Ir13 0.075 4.0249 C14 0.05 4.025 Ir21 0.150 1.5205 C21 0.10 1.118 Ir22 0.150 2.6162 C22 0.10 1.789 Ir23 0.150 4.0249 C23 0.10 2.337 Ir31 0.225 1.5205 C24 0.10 4.025 Ir32 0.225 2.6162 C31 0.15 1.118 Ir33 0.225 4.0249 C32 0.15 1.789 Ir42 0.300 2.6162 C33 0.15 2.337 Ir43 0.300 4.0249 C34 0.15 4.025 Ir53 0.350 4.0249

• E=1/20 • h=1.5 m • Acero • L. triángulo: 1.8 m / L. hexágono: 0.375 m.

• SL • PG • Anemómetro ultrasónico / hilo caliente

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS

Modelado FÍSICO

Radius of the orifice (m) R=0.04 m R=0.08 m R=0.16 m

Disposición experimental

Instrumentación

PTO: orificio variable

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS

Modelado NUMÉRICO

• Ecuación de Cummins (1962) para cuerpo flotante en el dominio del tiempo:

• Coeficientes hidrodinámicos: WADAM (WAMIT).

𝑚𝑚 + 𝐴𝐴∞,𝑖𝑖𝑖𝑖 �̈�𝑧 𝑡𝑡 = � 𝐾𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑡𝑡 − 𝜏𝜏 �̇�𝑧 𝜏𝜏 𝑑𝑑𝜏𝜏 + 𝐹𝐹𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 + 𝐹𝐹ℎ𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑒𝑒𝑦𝑦𝑒𝑒 𝑡𝑡 − 𝐹𝐹𝑓𝑓𝑦𝑦𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 − 𝐹𝐹𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡)𝑒𝑒

0

Calibración experimental del modelo numérico

𝐹𝐹𝑓𝑓𝑦𝑦𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 = (𝑘𝑘𝑒𝑒𝑛𝑛 �̇�𝑧(𝑡𝑡) )�̇�𝑧(𝑡𝑡)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.080

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5x 104

Hinci

/Linci

k nl (k

g/m

)

meanOWC1OWC2OWC3Hinci/Linci<0.02

Hinci/Linci>0.02

�̇�𝑚𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦 𝑡𝑡 = 𝑐𝑐𝑦𝑦𝐴𝐴𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(∆𝑃𝑃(𝑡𝑡))2𝑚𝑚𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡) ∆𝑃𝑃(𝑡𝑡)

𝑉𝑉𝑒𝑒𝑖𝑖𝑦𝑦(𝑡𝑡)

1/2

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

c d

Hinci/Linci

meanfitting

Modelado numérico en el dominio del tiempo

o H=0,10 m, T=1,789 s. o Top opening: R=0,16 m.

Superficie libre

• Casos de apertura mínima, influencia significativa de la presión del aire.

Presión del aire Oleaje REGULAR

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m

), OW

C 1

t (s)

Experimental data

Num. model (calibrated Ffric and cd)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m

), OW

C 2

t (s)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m

), OW

C 3

t (s)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40

-20

0

20

40

∆ P

(Pa)

, OW

C 1

t (s)

Experimental data

Num. model (calibrated Ffric and cd)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40

-20

0

20

40

∆ P

(Pa)

, OW

C 2

t (s)

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90-40

-20

0

20

40∆

P (P

a), O

WC

3

t (s)

Validación del modelo numérico

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS

Modelado NUMÉRICO

o Hs=0,15 m, Tp=1,5205 s. o Top opening: R=0,04 m.

Oleaje IRREGULAR

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m)

, OW

C 1

t (s)

Experimental dataNum. model (calibrated Ffric and cd )

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m)

, OW

C 2

t (s)

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-0.05

-0.025

0

0.025

0.05

z (m)

,OW

C 3

t (s)

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200

-100

0

100

200

∆ P (P

a), O

WC

1

t (s)

Experimental dataNum. model (calibrated Ffric and cd)

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200

-100

0

100

200

∆ P (P

a), O

WC

2t (s)

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480-200

-100

0

100

200

∆ P (P

a), O

WC

3

t (s)

• Apertura superior mínima, influencia significativa de la presión de aire. • knl y cd: sustituyendo H/T por Hs/Tp en la calibración obtenida para oleaje regular.

Superficie libre Presión de aire

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara: Proyecto IISIS

Modelado NUMÉRICO Validación del modelo numérico

1. Dispositivo de OWC FIJO, de una sola cámara.

2. Dispositivo de OWC FIJO, multicámara.

3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara.

EJEMPLOS DE MODELADO HÍBRIDO DE OWCs

3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara: Proyecto MERMAID

OWT

3 x OWC

Modelado FÍSICO

Platform Characteristics

Platform mass 8931 tn

Platform draft 18 m

Water depth 105 m

External diameter OWCs 17.99 m

Internal diameter OWCs 11.97 m

Number of mooring lines 4

Mooring line weight 365 kg/m

Mooring line length 570 m

Natural T Objective Final

Heave >18 s 19 s

Roll >18 s 23 s

Pitch >18 s 23 s

CCOB, IHCantabria Ensayos: • Oleaje Regular • Oleaje Irregular • Con/sin viento • Con/Sin corrientes

Instrumentación: • Qualysis • LC: nacelle y fondeo • FS • PG • ADV

PTO OWC: Orificio variable

3. Dispositivo de OWC FLOTANTE, multicámara: Proyecto MERMAID

Modelado NUMÉRICO

• Sistema de fondeo: M. cuasiestático

• Fuerzas viento: M. cuasiestático.

• Influencia de las OWC

Aspectos clave para el modelado de la plataforma

Heave / Roll / Pitch

H=3 m, T=10 s, r=0.02 m

Hs=3 m, Tp=10,39 s, r=0.02 m

• Necesidad y potencial del modelado híbrido para el desarrollo de la energía undimotriz

Modelado CFD Modelos simplificados

CALIBRACIÓN VALIDACIÓN

Análisis experimental

DISEÑO ENSAYOS

DISEÑO ENSAYOS

CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS

Proyecto IISIS: This research has been founded by the CDTI INNPRONTA project “Investigación Integrada Sobre Islas Sostenibles” (IISIS). Authors acknowledge to Fomento de Construcciones y Contratas (FCC) and Berenguer Ingenieros S.L., the permission to present their GBF designs and the data presented in this paper. Proyecto MERMAID: This work has been part of a research project MERMAID (Innovative Multi-purpose off-shore platforms: planning, design and operation Grant Agreement no.: 288710. Seventh Framework Programme Theme [OCEAN.2011-1]).

A. Iturrioz, J. Sarmiento, J. A. Armesto, R. Guanche

iturrioza@unican.es

Instituto de Hidráulica Ambiental de Cantabria – IHCantabria Universidad de Cantabria

www.ihcantabria.com

Gracias por vuestra atención.