[論文レビュー] Computational fluid dynamic simulation of hull reservoir wave energy device

V A U De Alwis, A P K De Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2022

Wave and Wind Energy Systems参考文献 13被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、波面のピッチ運動と内部フラップのスローシング水流駆動回転を用いて波力エネルギーを捕集する新規のハルリザーバ波力発電装置（HRWEC）のCFDベースのシミュレーションを提示する。ANSYS-AQWAおよびANSYS-FLUENTを用いて、規則的波条件下での水泳的性能を分析した結果、内部水体積3.0 m³のケース3が最適であり、最大捕集率53.2％を達成した。これは基準ケースを上回り、内部水位が効率最適化において極めて重要な役割を果たすことを示している。

ABSTRACT

This paper presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a wave energy device called the Hull Reservoir Wave Energy Converter (HRWEC). The device consists of a floating hull and a flap connected to the shaft of power take-off system (PTO), which is integral to the hull structure. It is unique due to its ability to convert wave energy by utilizing the pitch motion of the hull and rotating flap due to the internal water movement in the hull. Due to the complexity of the internal fluid dynamics, a CFD-based analysis was considered most appropriate. The CFD investigation of the dynamics of the device was done under regular wave conditions by using the ANSYS-AQWA and ANSYS FLUENT. Relative pitch angle variation, the hydrodynamic coefficients, which determine the degree of power extraction, were obtained from simulated results. A simulation was designed exhibiting complete system dynamics for different configurations varying on internal water height. Excellent convergence was observed,and an optimum configuration was identified. It is expected to validate the simulation results through experiments in the foreseeable future.

研究の動機と目的

• 計算流体力学（CFD）を用いて、新規のハルリザーバ波力発電装置（HRWEC）の水泳的性能を評価すること。
• 内部水体積がエネルギー抽出効率および装置の動的挙動に与える影響を調査すること。
• PeWEC装置の実験データと比較することで、CFDシミュレーション手法の妥当性を検証すること。
• エネルギー捕集を最大化する最適な内部水位およびPTOダンピング係数を特定すること。

提案手法

• 規則的波条件下での波体相互作用および水泳的係数をシミュレートするために、ANSYS-AQWAを用いた。
• 内部流体のスローシング動態をモデル化し、フラップおよびハルに作用する力およびモーメントを抽出するために、ANSYS-FLUENTを用いた。
• 内部水体積（0–3.5 m³）を変化させた4つのケースを対象に、性能のトレードオフを評価するためのシミュレーションを実施した。
• PTOダンピング係数の関数として捕集率を計算し、最大エネルギー抽出を実現する最適ダンピングを特定した。
• PeWEC装置の実験結果と比較することで、CFDモデルの妥当性を検証した。
• 乱流効果およびエネルギー散逸を分析し、内部流体がシステム効率に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HRWECのハル内に内部水を含めることで、その水泳的性能およびエネルギー捕集効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 規則的波条件下で、捕集率を最大にする最適な内部水体積は何か？
• RQ3 PTOダンピング係数は捕集率にどのように影響し、最大エネルギー抽出を実現する最適値は何か？
• RQ4 CFDシミュレーションモデルは、実験的PeWECデータと照合することで、実世界の装置挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 異なる水体積下で、内部流体に生じる力（抵抗およびモーメント）はどのように変化し、それらがシステムダイナミクスにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 内部水体積3.0 m³のケース3は、最大53.2％の捕集率を達成し、基準ケース（49.8％）および他の構成を上回った。
• 捕集率はPTOダンピング係数の増加に伴い最初に上昇し、ピークに達した後、減少する傾向を示し、各構成に対して明確な最適ダンピング値が存在することが示された。
• 内部水体積2.5 m³のケース2は、非基準ケースの中で最も優れた全体的性能を示し、最適ダンピング条件下で42％の捕集率を達成した。
• 内部水なしの基準ケースは最大53.2％の捕集率を示し、実験的PeWECデータとの比較により、CFDモデルの妥当性が裏付けられた。
• 内部流体の導入によりエネルギー散逸が低減し、水泳的力の挙動が変化した。水体積が増加するに従い、抵抗は減少し、モーメントの挙動はより複雑になった。
• シミュレーションは優れた収束性と信頼性を示し、今後のHRWEC設計の実験的検証を支援するものとなった。