Yeni bir dalga enerjisi türbininin veriminin analitik ve nümerik olarak incelenmesi
Analytical and numerical investigations on the efficiency af a novel wave energy converter
Yazar: UTKU ŞENTÜRK
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDAMAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, Salınan Su Sütunu tipinde, ancak daha önce literatürde yer almayan, yeni bir geometrik forma sahip bir dalga enerjisi türbini incelenmiştir. Bu enerji dönüşüm makinasının hidrodinamik veriminin, türbin parametresine bağlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Analitik ve nümerik yöntemler, bu hedef doğrultusunda başvurulan araştırma yöntemleridir.Tam batık ön duvarı boşluklu Salınan Su Sütunu olarak da adlandırılabilecek bu yeni dalga enerjisi türbininin analitik incelemesi, Lineer Dalga Teorisi kabulü altında gerçekleştirilmiştir. Problemi tanımlayan, Laplace Denklemi olarak da adlandırılan diferansiyel denklem, probleme özgü sınır koşulları altında çözülmüştür. Burada problem, saçılım ve yayılım problemleri kısımlarına ayrılarak çözüm elde edilmiştir. Türbini tahrik eden havanın debisi ve basınç düşümü arasındaki ilişki, lineer ve eş fazlı kabul edilmiştir. Sonuçta, dalga enerjisi türbininin geometrik parametrelerinin herhangi değeri için, optimum çalışma noktasındaki verimin, dalga frekansına bağlı değişimi saptanabilmektedir.Önerilen yeni dalga enerjisi türbininin bir dalga tankında düzenli dalgalarla etkileşimi problemi, Sonlu Hacimler Yöntemi temelli Fluent ticari yazılımı ile nümerik olarak da incelenmiştir. Burada, problemi tanımlayan, Süreklilik Denklemi, Adveksiyon Denklemi ve Navier-Stokes Denklemleri olarak da adlandırılan diferansiyel denklemlerin yaklaşık çözümleri elde edilmiştir. Çalışmanın analitik aşamasında belirlenen debi-basınç düşümü ilişkisi, yeni bir yöntemle probleme uygulanmıştır. Böylece, tamamlanan simülasyonlar sonucunda, öncelikli olarak hidrodinamik verim ve bunun yanında diğer problem parametrelerinin zamansal değişimi bulunmuştur.Analitik inceleme ile bulunan optimum çalışma noktasındaki verimin, ideal ve dönümsüz akış kabulleri altında, % 100 olduğu frekans değerleri mevcuttur. Buna karşın, nümerik inceleme ile ele alınan viskoz akışkan probleminde bulunan optimum çalışma noktasındaki verimin, % 69'u geçmediği görülmektedir. Fakat, taranan frekans aralığında, uygun boyutlandırma ile, önerilen dalga enerjisi türbininin veriminin, Evans ve Porter tarafından incelenen dalga enerjisi türbininin veriminden yüksek değerlerde olduğu durumlar, hem analitik hem de nümerik incelemeler sonucunda bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, a novel, Oscillating Water Column (OWC) type wave energy converter with a modified geometry is under consideration. The optimization of the hydrodynamic efficiency of this energy converter with respect to the turbine parameter is the scope of the study. Research methods are the analytical and the numerical methods.The analytical investigation of this Oscillating Water Column which might be called an Oscillating Water Column with a gap on the fully submerged front wall, is conducted under the assumptions of the Linear Wave Theory. Laplace Equation which governs the flow is solved with the problem specific boundary conditions. The problem is decomposed into radiation and scattering parts. The flow rate of the air that drives the turbine is assumed to be linearly related and in phase with the pressure drop. As a result, optimum efficiency versus frequency can be determined for any geometrical configuration of the proposed converter.The interaction of the proposed wave energy converter with regular waves in a wave tank is investigated numerically using the Finite Volume method based commercial software Fluent. In this study approximate solutions to Continuity, Advection and Navier-Stokes Equations are found. A novel method is developed for the implementation of flow rate- pressure drop relation. Thus, hydrodynamic efficiency which is the primary parameter as well as several other problem parameters are determined numerically.Under the assumptions of ideal and irrotational flow in the analytical investigation, there exist frequencies where the optimum efficiency is 100%. On the other hand, the optimum efficiency does not exceed 69% for the viscous flow problem in the numerical investigation. By choosing the geometric parameters appropriately, it?s shown both analytically and numerically that higher efficiency values can be obtained with the proposed model compared to the converter of Evans and Porter.