Estudo numérico com aplicação de design construtal de um dispositivo de conversão de energia das ondas do mar do tipo galgamento incorporado ao molhe leste de São José do Norte - RS

Abstract

No presente trabalho foi realizado um estudo numérico bidimensional sobre um dispositivo de galgamento, com rampa única e com duas rampas, incorporado ao molhe leste de São José do Norte (SJN) – Rio Grande do Sul (RS), que faz parte do canal de acesso ao Super Porto de Rio Grande. Inicialmente, realizou-se análise da geometria do domínio computacional como, o comprimento do canal numérico, o tipo de perfil do molhe (parcial e completo, com e sem praia numérica) e avaliação do tempo de simulação de 100 e 400 s. Posteriormente, empregou-se o método Design Construtal para avaliar os efeitos das geometrias das rampas por meio dos graus de liberdade, razão entre as alturas e comprimentos das rampas, H1/L1 e H2/L2, distância vertical entre as rampas, Hg, e distância horizontal entre as rampas, Lg, com a finalidade de determinar a maior magnitude da vazão adimensional média de galgamento, (Qnum)mm. Além disso, definiu se como referência a geometria do dispositivo de galgamento com rampa única e razão H1/L1 = 0,6667 (33,69º - mesma inclinação do molhe leste de SJN), calculando analiticamente a vazão adimensional média de galgamento por meio de equação encontrada na literatura e comparando este valor com o obtido numericamente com as simulações. Para isto, empregou-se o espectro de ondas JONSWAP com as características das ondas do mar da região de SJN. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica foram resolvidas com o Método dos Volumes Finitos (MVF) através do programa computacional comercial ANSYS Fluent. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) foi empregado para abordar a mistura água-ar e interação água-estrutura. Os resultados mostram a aplicabilidade e a eficiência do Design Construtal para avaliação geométrica de dispositivos de galgamento. Além disso, para o dispositivo de galgamento com rampa única, a maior magnitude para vazão adimensional média de galgamento, (Qnum)mm, foi encontrada para a menor valor de H1/L1 entre os empregados. Já para o dispositivo com duas rampas, o melhor desempenho ocorreu para a menor distância vertical entre as duas rampas, Hg, distância intermediária para a distância horizontal, Lg, e mesmo valor para a razão entre as alturas e comprimentos das rampas, H1/L1 e H2/L2, sendo este valor o mesmo da inclinação original do molhe leste de SJN.

In the present work, a two-dimensional numerical analysis was conducted on overtopping devices with one ramp and two ramps incorporated into the east breakwater of São José do Norte (SJN) – Rio Grande do Sul (RS), which is part of the access channel the Super Port of Rio Grande. Initially, analyzes of the geometry of the computational domain were conducted, such as, the length of the numerical channel, the type of breakwater profile (partial and complete, with numerical beach and without) and evaluation of the simulation time of 100 and 400 s. Subsequently, the Constructal Design method was the tool to evaluate the effects of the ramp geometries through the degrees of freedom, the ratio between the heights and lengths of the ramps, H1/L1 and H2/L2, the vertical distance between ramps, Hg, and horizontal distance between ramps, Lg, to determine the highest magnitude of the average dimensionless overtopping flow (Qnum)mm. Moreover, defined as reference the geometry of the overtopping device with single ramp and ratio H1/L1 = 0.6667 (33.69º - same slope as the east breakwater of SJN), was determined analytically the average dimensionless overtopping flow through an equation found in the literature and comparing this value with that obtained numerically with the simulations. In the present work, a two-dimensional numerical analysis was conducted on overtopping devices with one ramp and two ramps incorporated into the east breakwater of São José do Norte (SJN) – Rio Grande do Sul (RS), which is part of the access channel the Super Port of Rio Grande. Initially, analyzes of the geometry of the computational domain were conducted, such as, the length of the numerical channel, the type of breakwater profile (partial and complete, with numerical beach and without) and evaluation of the simulation time of 100 and 400 s. Subsequently, the Constructal Design method was the tool to evaluate the effects of the ramp geometries through the degrees of freedom, the ratio between the heights and lengths of the ramps, H1/L1 and H2/L2, the vertical distance between ramps, Hg, and horizontal distance between ramps, Lg, to determine the highest magnitude of the average dimensionless overtopping flow (Qnum)mm. Moreover, defined as reference the geometry of the overtopping device with single ramp and ratio H1/L1 = 0.6667 (33.69º - same slope as the east breakwater of SJN), was determined analytically the average dimensionless overtopping flow through an equation found in the literature and comparing this value with that obtained numerically with the simulations.