Numerical modelling of regular wave propagation using OpenFOAM

Abstract

Uma vez que o consumo de combustíveis fósseis provoca impactos ambientais críticos, o desenvolvimento das energias renováveis tem-se tornado uma prioridade em muitos países. Desta forma, as energias solar e do vento são comercializadas, enquanto a energia das ondas está ainda nos seus primeiros passos. A energia das ondas é uma ampla fonte de energia limpa, no entanto ainda muitas barreiras e obstáculos têm de ser ultrapassados para ser possível captar a potência real que se encontra armazenada nas ondas oceânicas. Nas décadas recentes, alguns protótipos de conversores de energia das ondas foram construídos e testados, todavia, quase todos foram destruídos passado algum tempo devido à sua incapacidade em resistir às condições adversas dos oceanos. Uma vez que os ensaios laboratoriais são bastante caros e morosos, actualmente é comum recorrer-se a simulações numéricas. Muitos investigadores desenvolveram o seu próprio tanque de ondas numérico com o intuito de avaliar o comportamento das ondas. Esta dissertação de mestrado tem como objetivo desenvolver um tanque de ondas numérico para estimar a propagação de ondas regulares e o seu comportamento na interacção com o fundo do mar, usando a aplicação waves2Foam, desenvolvida no âmbito do software OpenFOAM. Para tal, três cenários e alguns sub-cenários são definidos com base nos diferentes tipos da teoria de Stokes aplicável a ondas. Os resultados mostram que o waves2Foam é capaz de simular relativamente bem todos os tipos de rebentamento de ondas, ainda que com algumas limitações. A reflexão das ondas na fronteira de saída foi relatada em muitos estudos, pelo que a aplicação waves2Foam possui um método de absorção chamado zona de relaxamento, que impede a reflexão das ondas a partir da fronteira de saída do tanque. Finalmente, os resultados do presente estudo demonstram que o waves2Foam é uma poderosa ferramentas para simulação numérica da propagação de ondas e sua absorção. Conclui-se ainda que o OpenFOAM tem algumas limitações, como por exemplo, é incapaz de simular ondas com declive superior a 0.05, casos em que foram observados alguns problemas tais como o amortecimento da onda.

As increase in consumption of fossil fuels causes crucial environmental impacts, renewable energy development has become the priority of many countries in the world. In this way, solar and wind energies are commercialized while ocean wave energy is still in its initial steps. Wave energy is a large source of clean energy but still many barriers and obstacles must be removed in order to capture the real power stored in the ocean waves. In previous decades, several prototypes of wave energy converters have been built and tested, but, almost all of them were destroyed after a while due to their incapability in coping with the harsh condition of the oceans. As laboratory experiments are very expensive and time consuming, today, numerical simulation is commonly used. Many researchers developed their numerical wave tank in order to evaluate behaviour of waves. This master thesis aims to develop numerical wave tanks for assessing propagation of regular wave and its behaviour interacting with seabed using waves2Foam. To do so, three scenarios and some sub-scenarios are defined based on different types of Stokes wave theory. Reflection of the waves from outlet boundary was reported in many studies while waves2Foam is accompanied by an absorption method called relaxation zone which prevents reflection of the waves from outlet boundary of the numerical wave tank. Finally, the results of the present study demonstrate that waves2Foam is a powerful toolbox in numerical modelling of wave generation and absorption in numerical wave flumes and waves2Foam is capable to simulate all types of breaking waves as well. It is also concluded that, waves2Foam has some limitations, for instance, it is unable to simulate waves with steepness above 0.05 in which some problems such as damping of the wave have been observed.