Optimization of oscillating water column wave energy converters - a numerical study

Simonetti, Irene

This PhD research aims at the study of the combined effect of the structure geometry and of the damping applied by a non-linear turbine (i.e., an impulse turbine) on the performance of a fixed Oscillating Water Column (OWC) device for harvesting wave energy. The improved knowledge base regarding the still not well-understood optimal OWC geometry and the optimal turbine damping, specifically for moderate wave climates such as in the Mediterranean Sea, contributes to fill one of the current gaps of knowledge. Moreover, the scale effect induced by neglecting the air compressibility in modelling OWC devices at small-scale is evaluated, and correction factors for the results from small-scale laboratory testing of OWC devices as well as for the results of incompressible numerical models are provided, thus contributing to fill a further recognized knowledge gap. Further, a conceptual model allowing to predict the capture width ratio of the OWC based on the geometrical parameters (e.g. chamber width and front wall draught), the damping applied by the turbine and the incident wave conditions is proposed. The proposed conceptual model might be applied as a design tool in the process of the OWC device optimization. The research methodology is based on numerical modelling supported by small-scale laboratory experiments performed by Crema et al. (2016) and further experiments from the literature, which are used to better understand the involved processes and to validate the Computational Fluid Dynamics models. A comparative analysis of the results from the validated CFD codes applied at full-scale (1:1) and three smaller scales (1:25, 1:10 and 1:5) is performed in order to assess the errors induced by neglecting the effect of air compressibility for each scale and to derive the aforementioned correction factors which are valid for the range of considered flow regime in terms of the Mach number (Ma=0.05-0.15). Indeed, for the air pressure levels considered in the simulations (up to 350 Pa at model scale 1:50), the effect of neglecting the air compressibility results in an overestimation up to about 15% for the air pressure in the OWC chamber and the subsequent air volume flux, but less than 10% for the capture width ratio. This overestimation increases with increasing pressure levels.

In dieser Dissertation wird die kombinierte Auswirkung der Strukturgeometrie und der, durch eine nichtlineare Turbine (z.B. Gleichdruckturbine), aufgebrachten Dämpfung im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit einer Wellenenergieanlage untersucht. Der hier betrachtete Prozess der Energieerzeugung basiert auf einer fest installierten, oszillierenden Wassersäule (Oscillating Water Column, OWC). Fortgeschrittenes Grundwissens erlaubt sowohl Fragestellungen bezüglich der idealen OWC-Geometrie als auch nach einer optimalen Turbinendämpfung neu zu betrachten. Dies ist insbesondere für moderate Seegangsverhältnisse, wie im Mittelmeer zu beobachten, von Bedeutung und trägt dazu bei gegenwärtige Wissenslücken zu schließen. Darüber hinaus werden Maßstabseffekte, welche durch die Vernachlässigung der Luftkompressibilität bei der kleinmaßstäblichen Modellierung von OWC-Anlagen induziert werden, ausgewertet. Des Weiteren werden Korrekturfaktoren festgelegt, welche sowohl auf Labortestergebnisse von OWC-Anlagen im Kleinmaßstab als auch auf die Ergebnisse inkompressibler, numerischer Modelle angewendet werden können. Somit kann eine weitere, anerkannte Wissenslücke geschlossen werden. Außerdem wird ein Konzeptmodell vorgestellt, welches die Bestimmung des Einlauf-Breiten-Verhältnisses der OWC (capture width ratio) auf Grundlager geometrischer Parameter ermöglicht. Die Forschungsmethodik basiert auf numerischer Modellierung, unterstützt durch die kleinmaßstäblichen Laborversuche von Crema et al. (2016) und weiteren, der Fachliteratur entnommenen Experimenten. Diese dienen einer besseren Verständlichkeit der beteiligten Prozesse und gewährleisten die Validierung der Computational Fluid Dynamics (CFD) Modelle. Zur Beurteilung der Fehler, welche infolge der Vernachlässigung der Luftkompressibilität (für jede Skala) entstehen, sowie der bereits erwähnten Korrekturfaktoren (Gültigkeit für den betrachteten Bereich der Durchflussregelung in Bezug auf Mach-Zahlbereich von 0,05 bis 0,15) wird eine vergleichende Ergebnisanalyse der validierten CDF-Codes sowohl vollskalig (1:1) als auch kleinskalig (1:25, 1:10 und 1:5) durchgeführt. Die, in den Simulationen, berücksichtigten Luftdruckniveaus (bis zu 350 Pa im Modellmaßstab von 1:50) in Verbindung mit einer Vernachlässigung der Luftkompressibilität führen zu einer Überschätzung des Luftdrucks in der OWC-Kammer und des nachfolgenden Volumenstroms von bis zu 15%. Die Überschätzung des Einlauf-Breiten-Verhältnis beträgt lediglich 10%.

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Simonetti, Irene: Optimization of oscillating water column wave energy converters - a numerical study. 2017.

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