شماره مدرك
21172
شماره راهنما
2501 دكتري
پديد آورنده
ميرزائي، حميد
عنوان
بررسي عددي و آزمايشگاهي تاثير شكل بستر بر كارآيي هيدروديناميكي مبدل انرژي امواج از نوع ستون آب نوساني
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مهندسي آب و سازههاي هيدروليكي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
بيستوچهار، 284 ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
انرژي امواج , مبدل ستون آب نوساني , كارآيي هيدرويناميكي , روشهاي بدون شبكه , مدل آزمايشگاهي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/28
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
دانشكده
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/28
كد ايرانداك
23236419
چكيده فارسي
با توجه به محدوديت منابع و آثار زيستمحيطي سوختهاي فسيلي، استفاده از انرژيهاي تجديدپذير به اولويت اصلي تأمين انرژي آينده تبديل شده است. انرژي امواج، به عنوان يكي از منابع پرچگالي و در دسترس، توجه پژوهشگران را جلب كرده است. مبدلهاي ستون آب نوساني (OWC) به دليل امكان تركيب با موجشكنها، هزينه ساخت پايين و سهولت انتقال نيرو، جايگاه ويژهاي دارند؛ هرچند به دليل رفتار هيدروديناميكي پيچيده، هنوز به مرحله تجاريسازي نرسيدهاند.
در اين پژوهش، براي نخستين بار كارآيي هيدروديناميكي مبدلهاي OWC با استفاده از روش بدون شبكه حلهاي اساسي (MFS) مورد تحليل قرار گرفت. اين روش امكان حل معادله لاپلاس مربوط به تابع پتانسيل سرعت موج را فراهم ميكند كه جريان غيرچرخشي و سيال ايدهآل را توصيف ميكند و ضمن كاهش چشمگير زمان محاسبات نسبت به ساير روشهاي عددي، امكان بررسي دقيق رفتار هيدروديناميكي مبدل را نيز ميدهد. در تحليل اوليه، معادلات شرايط مرزيِ خطي بررسي شدند و انواع مختلف هندسه كف، از جمله سطوح شيبدار، ارزيابي شد. دو پارامتر كليدي بازشدگي(o) و شيب كف (θ) به عنوان عوامل مؤثر در مبدلهاي با كف شيبدار شناسايي شدند و تحليل نتايج نشان داد كه افزايش شيب و كاهش بازشدگي موجب كاهش راندمان در طول موجهاي كوتاه و بهبود كارآيي در طول موجهاي بلند ميشود. در نهايت، ايدههاي نو براي طراحي كف دو-شيب و سهموي معرفي گرديد. همچنين، به منظور بررسي رفتار غيرخطي تعامل امواج با مبدل و شناسايي اثرات سه منشا غيرخطي شامل متحرك بودن نقاط مرزي سطح آزاد و غيرخطي بودن شرايط مرزي سينماتيكي و ديناميكي، تحليل غيرخطي نيز انجام شد.
براي بررسي صحت و بهينهسازي يافتهها، مطالعهاي آزمايشگاهي روي مبدلهاي ساده و دو-شيب در دانشگاه صنعتي داليان چين انجام شد. نتايج نشان داد كه استفاده از كف دو-شيب موجب بهبود كارآيي مبدل در طول موجهاي بلند و كاهش افت كارآيي در طول موجهاي كوتاه ميشود. همچنين، با افزايش نسبت دامنه موج Ai/d، مبدل دو-شيب عملكرد بهتري نسبت به مبدل ساده از خود نشان داد. به عنوان مثال، در نسبت بدون بعد دامنه موج به عمق آب برابر با 02/0، راندمان آن تا 7% كمتر بود، اما در نسبت بدون بعد دامنه موج به عمق آب برابر با 04/0، كارآيي آن تا %14 از مبدل ساده بهتر شد. اين پژوهش علاوه بر ارائه يك روش عددي سريع و دقيق، راهكارهايي براي بهبود طراحي مبدلهاي OWC و ارتقاي كارآيي آنها ارائه ميكند.
چكيده انگليسي
With the depletion of fossil fuel resources and growing environmental concerns associated with their consumption, renewable energy has become a primary option for meeting future energy demands. Among the various renewable energy resources, ocean wave energy has attracted considerable attention due to its high energy density and widespread availability. Oscillating Water Column (OWC) wave energy converters have received particular interest because of their compatibility with breakwaters, relatively low construction cost, and simple power take-off mechanism. Nevertheless, their complex hydrodynamic behavior remains one of the main obstacles preventing their widespread commercialization.
In this study, for the first time, the Laplace equation governing the wave velocity potential of an OWC wave energy converter was solved using the meshless Method of Fundamental Solutions (MFS). Under the assumptions of an ideal, incompressible, and irrotational fluid, the proposed method provides an efficient solution to the boundary value problem while significantly reducing the computational time compared with conventional numerical approaches. Moreover, it enables accurate prediction of the hydrodynamic performance of OWC converters. Initially, the problem was investigated under linear free-surface boundary conditions, and several seabed configurations, including sloping bottoms, were evaluated. Two key geometric parameters, namely the opening ratio (o) and the seabed slope angle (θ), were identified as the dominant factors affecting the performance of sloping-bottom OWC converters. The results demonstrated that increasing the seabed slope while reducing the opening ratio decreases the hydrodynamic efficiency for short waves but enhances the converter performance under long-wave conditions. Based on these findings, two innovative seabed configurations, namely dual-slope and parabolic seabeds, were proposed. Furthermore, a fully nonlinear numerical model was developed to investigate the nonlinear wave–structure interaction by considering the three primary sources of nonlinearity: the movement of free-surface boundary nodes, the nonlinear kinematic free-surface boundary condition, and the nonlinear dynamic free-surface boundary condition.
To validate and further optimize the numerical findings, an experimental investigation was conducted on both conventional and dual-slope OWC converters at Dalian University of Technology, China. The experimental results confirmed that the dual-slope configuration improves the converter efficiency under long-wave conditions while mitigating the reduction in efficiency for short waves. In addition, as the dimensionless wave amplitude (Ai/d) increased, the dual-slope converter consistently outperformed the conventional configuration. For instance, at Ai/d=0.02, its efficiency was up to 7% lower than that of the conventional converter, whereas at Ai/d=0.04, it achieved an efficiency improvement of up to 14%. Overall, this research not only presents a fast and accurate numerical framework for analyzing OWC wave energy converters but also proposes effective design strategies for improving their hydrodynamic performance.
استاد راهنما
محمدنويد مقيم , بشير موحديان عطار
استاد داور
شهريار منصورزاده , مجتبي ازهري , محمود فغفور مغربي