بررسی عددی عملکرد یک مبدل چرخشی انرژی در اثر برخورد موج بر روی سطح شیب‌دار با روش هیدرودینامیک ذرات هموار

شوبیری, غلامرضا; خارائی, محمد رضا; حیدری, زهره; محبوبی, هانی

بررسی عددی عملکرد یک مبدل چرخشی انرژی در اثر برخورد موج بر روی سطح شیب‌دار با روش هیدرودینامیک ذرات هموار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

غلامرضا شوبیری

محمد رضا خارائی

زهره حیدری

هانی محبوبی

دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در طی سالیان اخیر جذب انرژی از امواج دریا به عنوان منبع تجدید‌پذیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق از روش عددی هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) برای بررسی رفتار نوسانی یک مبدل چرخشی انرژی موج استفاده می شود. این مبدل در انتهای یک سطح شیب‌دار متصل به یک مخزن که تحت تأثیر یک موج تنها می باشد قرار داده شده است. سطح شیب‌دار می تواند بیانگر ساحل دریا باشد که امواج در نزدیکی آن تغییر شکل داده و جذب انرژی آن‌ها ملاحظات خاص خود را دارد. در این پژوهش، تاثیر پارامترهای مختلف در میزان جذب انرژی مبدل مانند ارتفاع موج، سختی فنر پیچشی متصل به مبدل در کف، ممان اینرسی مبدل، زوایه شیب سطح مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد با کاهش ممان اینرسی مبدل میزان جذب انرژی کاهش می‌یابد ولی مقدار این پارامتر باید از یک مقدار بحرانی بیشتر باشد تا مبدل توانایی تحمل ضربه موج را داشته باشد. همچنین مشخص شد میزان سختی فنر در یک حد میانه منجر به عملکرد مطلوب مبدل می‌شود. زمان تناوب نیز به عنوان یک عامل مهم در حرکت نوسانی مبدل به میزان قابل توجهی به سختی فنر وابسته می‌باشد. همچنین عملکرد بهینه مبدل انرژی صرف نظر از ارتفاع موج، سختی فنر و ممان اینرسی در یک شیب مشخص اتفاق می‌افتد که به فرآیند تغییر شکل موج بر روی سطح شیب‌دار ارتباط دارد.

کلیدواژه‌ها

روش هیدرودینامیک ذرات هموار

روش‌های بدون شبکه

جذب انرژی امواج

مبدل چرخشی انرژی

سطح شیب‌دار

20.1001.1.24767131.1403.10.2.11.5

موضوعات

هیدرودینامیک

عنوان مقاله English

Numerical investigation of performance of a rotating energy converter due to wave impact on an inclined surface using the smoothed particle hydrodynamics method

نویسندگان English

Gholamreza Shobeyri

Mohamad Reza Kharaei

Zohreh Heydari

Hany Mahbuby

Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده English

In recent years, energy absorption from sea waves as a renewable resource has received much attention. In this study, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) numerical method is used to investigate the oscillatory behavior of a rotating wave energy converter. This converter is placed at the end of a slope connected to a reservoir that is affected by a solitary wave. The slope can represent the seashore, where waves are deformed near it and their energy absorption has its own considerations. In this study, the effect of various parameters on the energy absorption rate of the converter, such as wave height, stiffness of the torsion spring connected to the converter at the bottom, the moment of inertia of the converter, and the angle of inclination of the surface have been investigated. The results showed that by reducing the moment of inertia of the converter, the energy absorption rate decreases, but the value of this parameter must be greater than a critical value for the converter to be able to withstand the wave impact. It was also found that the spring stiffness at a moderate level leads to the desired performance of the converter. The amount of period, as an important factor in the oscillatory motion of the converter, is significantly dependent on the spring stiffness. Also, the optimal performance of the energy converter occurs at a certain slope, regardless of wave height, spring stiffness, and moment of inertia, which is related to the process of wave deformation on an inclined surface.

کلیدواژه‌ها English

Smoothed particle hydrodynamic method

meshless methods

wave energy absorption

rotating energy converter

inclined surface

[1]. Gingold RA, Monaghan JJ. Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non spherical stars. Mon. Not. R. Astron. Soc. 1977;181: 375–385.

[2]. Shao SD, Lo EYM. Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface. Advances in Water Resources.2003; 26 (7): 787-800.

[3]. Ataie-Ashtiani B, Shobeyri G. Numerical simulation of landslide impulsive waves by incompressible smoothed particle hydrodynamics. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2008; 56 (2): 209-232.

[4]. Barreiro A, Crespo AJC, Domínguez JM, Gómez-Gesteira M. Smoothed Particle Hydrodynamics for coastal engineering problems. Computers & Structures. 2013; 120: 96-106.

[5]. Meringolo DD, Aristodemo F, Veltri P. SPH numerical modeling of wave–perforated breakwater interaction.Coastal Engineering. 2015; 101: 48-68.

[6]. Padova DD, Mossa M, Sibilla S. SPH Modelling of Hydraulic Jump Oscillations at an Abrupt Drop. Water.2017; 9: 790.

[7]. Li D, Zhen Z, Zhang H, Li Y, Tang X. Numerical model of oil film diffusion in water based on SPH method. Mathematical Problems in Engineering. 2019; (1): 8250539.

[8]. Islam MR, Rahman MA, Hayano K. Application of smoothed particle hydrodynamics (SPH) for simulating various geotechnical problems. SN Applied Sciences. 2020; 2(4): 687.

[9]. Guo C, Zhang H, Qian Z, Liu M. Smoothed-interface SPH model for multiphase fluid-structure interaction. Journal of Computational Physics. 2024; 518, 113336.

[10]. He F, Chen Y, Zhang Y, Jiang H, Huang C. A multi-physics SPH method for simulating heat transfer, mass transfer and phase transition of hydrate. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025; 165, 109012.

[11]. Edmond YM, Songdong S. Simulation of near-shore solitary wave mechanics by an incompressible SPH method. Applied Ocean Research. 2002; 24(5): 275-286.

[12]. Didier E, Neves DRCB, Martins R, Neves MG. Wave interaction with a vertical wall: SPH numerical and experimental modeling. Ocean engineering. 2014; (88): 330-341.

[13]. Chen D, Tzang Sh, Hsieh Ch, Chow Y, Chen J, Lin C, et al. Numerical modeling of wave-induced rotations of a bottom-hinged flapper with aSPH model. Journal of Marine Science and Technology. 2014; 3(22): 372-380.

[14]. Altomare C, Crespo AJC, Dominguez JM, Gomez-Gesteira M, Suzuki T, Verwaest T. Applicability of smoothed particle hydrodynamics for estimation of sea wave impact on coastal structures. Coastal Engineering. 2015; (96): 1-12.

[15]. Chen D, Nagata S, Tzang S, Imai Y, Hsieh C, Chen J. A time-domain numerical tool for a wave energy attenuator with the SPH method. Journal of Marine Science and Technology. 2017; 6(25): 752-760.

[16]. Marrone S, Colagrossi A, Baudry V, Touzé DL. Extreme wave impacts on a wave energy converter: load prediction through a SPH model. Coast Engineering journal. 2019; 61(1):63-77.

[17]. Heydari Z, Shobeyri G, Ghoreishi Najafabadi H. Numerical investigation of solitary Wave interaction with a flapper wave energy converter using incompressible SPH method. Journal of the Brazilian society of mechanical sciences and engineering. 2021; (43): 1-18.

[18]. Ramezanzadeh S, Ozbulut M, Yildiz M. A numerical investigation of the energy efficiency enhancement of oscillating water column wave energy converter systems. Energies. 2022; 15(21), 8276.

[19]. Chen X, Cui J, Li MY. Numerical simulation and energy extraction power fitting of OWSCs under regular waves using SPH method. Ocean Engineering. 2023; 283, 115077.

[20]. Capasso S, Tagliafierro B, Martínez-Estévez I, Altomare C, Gómez-Gesteira M, Göteman M, et al. Development of an SPH-based numerical wave–current tank and application to wave energy converters. Applied Energy. 2025; 377, 124508.

[21]. Shobeyri G. Using a modified MPS gradient model to improve accuracy of SPH method for Poisson equations. Computational Particle Mechanics. 2023; 10(5): 1113-1126.

[22]. Shobeyri G, Rasti Ardakani R. Modified incompressible SPH method for simulating free surface problems using highly irregular multi resolution particle configurations. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2019; (41): 421.

[23]. Koshizuka S, Nobe A, Oka Y. Numerical analysis of breaking waves using the moving particle semi-implicit method. Int J Numer Meth Fluids. 1998; (26): 751–6.