Estudio computacional y experimental del prototipo columna oscilante de agua para el aprovechamiento de la energía undimotriz

Abstract

En este trabajo se presenta una simulación y posterior validación del principio de Columna de Agua Oscilante (OWC) para la extracción de energía de las olas. Un modelo completo de un canal ha sido desarrollado en la plataforma libre OpenFOAM. Los resultados numéricos de la simulación han sido posteriormente validados mediante un prototipo construido ad-hoc en la Escuela de Ingeniería de Bilbao.

El modelo representa una ola viajando a través de un canal. La ola es generada con una columna de agua retenida inicialmente en uno de los extremos. En el otro extremo se coloca una cámara parcialmente sumergida con una abertura en el fondo. De esta manera, el movimiento de la ola genera una compresión del aire en el interior de la cámara. La salida de aire se representa con un tubo y se realizan varias pruebas con diferentes diafragmas previamente caracterizados. Finalmente se calcula la potencia equivalente que se extraería con una turbina.

Las técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) son una herramienta más dentro de la ingeniería asistida por ordenador. La capacidad de simular todo tipo de fenómenos y flujos hace de estas técnicas una parte indispensable en procesos de diseño en la industria. Mediante este trabajo se trata también de profundizar en el manejo del software libre OpenFOAM.

This thesis presents a simulation and validation of the Oscillating Water Column principle used to extract energy from ocean waves. A complete model of a wave travelling through a canal was developed on the open-source platform OpenFOAM. The numerical results of the simulation are validated with a real-life setup built ad-hoc at the Engineering School in Bilbao.

The model represents a wave travelling through an open canal. At the beginning of the experiment, a water column is confined at one end. At the other end, a partially submerged chamber, open at the bottom, is placed. When the wave travels from one end to the other, the air inside the chamber is pushed upwards, thus generating pressure. Previously characterized diaphragms measure the subsequent flow of air, and the equivalent power that would be generated by a turbine is determined.

Computer Fluid Dynamics is already an everyday tool in computer-assisted engineering. Its capabilities to simulate all sorts of phenomena and flows make it indispensable in the design process of a variety of branches in industry. The objective of this work is also to delve into the possibilities offered by the software OpenFOAM.

Lan honetan Ur-Zutabe Kulunkaria (OWC) deritzon teknologia aztertzen da. Olatuen energia aprobetxatzeko teknologia hau lehenengo OpenFOAM software librearekin simulatu egin da eta emaitza numerikoak prototipo batekin baliozkotu dira. Emaitza enpirikoak lortzeko saiakuntzak ad-hoc eraikitako kanal batean burutu dira Bilboko Ingeniari Eskolan.

Garatutako saiakera kanal batean zehar hedatzen den olatu bat da. Hasieran, kanalaren mutur batean ur-zutabe bat atxikita dago. Beste muturrean ganbara bat kokatzen da, zeinen hondoa irekita dagoen eta uran murgilduta. Atxikitako ura askatzean olatua kanalean zehar hedatzen da, ganbararen barrura sartuz eta bertan dagoen airea konprimituz. Presio honek sortzen duen indarra hodi batean irakurriko da. Aurretik bereizitako diafragma ezberdinekin probak egingo dira eta turbina batek erdituko lukeen potentziaren kalkuluek lana borobiltzen dute.

Fluidoen Dinamika Konputazionala (CFD) ordenagailu bidezko ingeniaritzan egunerokotasunaren atal dira dagoeneko. Hamaika fenomeno eta fluxu simulatzeko aukera eskaintzen dute teknika hauek. Arrazoi honengatik ezinbesteko erreminta bilakatu dira edozein diseinu prozesuan. Lan honen helburua ere bada, OpenFOAM software librearen gaitasunetan murgiltzea.