fake Ruben Miguel Domingues Correia Licenciado em Cieˆncias da Engenharia Civil Modelac¸a˜o nume´rica da interac¸a˜o de ondas com uma estrutura de aproveitamento de ´ energia das ondas do tipo Coluna de Agua Oscilante Dissertac¸a˜o para obtenc¸a˜o do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Perfil de Estruturas Orientador: Ana Cristina Santos Mendonc¸a, Doutora, LNEC Co-Orientador: Maria da Grac¸a Reis e Silva de Oliveira Neves, Doutora, FCT/LNEC Ju´ri: Presidente: Prof. DoutoraIldiCismasiu Arguente: Prof. DoutorLu´ısMiguelChagasCostaGil Vogal: DoutoraAnaCristinaSantosMendonc¸a Setembro, 2015 asdasd \Copyright" Ruben Miguel Domingues Correia, FCT/UNL e UNL AFaculdadedeCi^enciaseTecnologiaeaUniversidadeNovadeLisboat^emodireito, perp(cid:19)etuo esemlimitesgeogr(cid:19)a(cid:12)cos,dearquivarepublicarestadisserta(cid:24)c~aoatrav(cid:19)esdeexemplaresimpressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atrav(cid:19)es de reposit(cid:19)orios cient(cid:19)(cid:16)(cid:12)cos e de admitir a sua c(cid:19)opia e distribuic(cid:24)~ao com objetivos educacionais ou de investiga(cid:24)c~ao, n~ao comerciais, desde que seja dado cr(cid:19)edito ao autor e editor. asdasd Agradecimentos Em primeiro lugar, quero agradecer profundamente (cid:18)as minhas orientadoras, a Doutora Ana Cristina Santos Mendon(cid:24)ca e a Prof. Doutora Maria da Gra(cid:24)ca Reis e Silva de Oliveira Neves. A(cid:18) Dra. AnaMendonc(cid:24)a,queriaespecialmenteagradecerpelaorienta(cid:24)c~aodi(cid:19)aria,pelatotaldedica(cid:24)c~ao, pelos conhecimentos transmitidos e pela enorme paci^encia demonstrada. A(cid:18) Prof. Gra(cid:24)ca, queria agradecer por todas as cr(cid:19)(cid:16)ticas construtivas, ensinamentos cruciais e simpatia com que sempre me recebeu. Gostava de agradecer (cid:18)a minha fam(cid:19)(cid:16)lia, que sempre me motivou para seguir o que eu gosto. Em especial, quero agradecer aos meus queridos pais, por todo o esfor(cid:24)co que (cid:12)zeram no sentido de eu ter a oportunidade de tirar um curso superior, e (cid:18)a minha prima Patr(cid:19)(cid:16)cia por toda ajuda prestada durante o decorrer do mesmo. Quero agradecer (cid:18)a minha namorada Marta Geada, por toda a motivac(cid:24)~ao durante o meu percurso universit(cid:19)ario. Obrigado por me fazeres ver o futuro de uma forma diferente. Obrigado ao meus amigos Jo~ao Casquinho, Cl(cid:19)audia Fernandes e David Pinto por todos os bons momentos. Apesar de termos seguidos caminhos diferentes, a amizade continua sempre forte. Quero tamb(cid:19)em agradecer a todos os amigos que (cid:12)z na faculdade, Miguel Teixeira, Lic(cid:19)(cid:16)nio Cruz e Gonc(cid:24)alo Antunes, por todos os bons momentos e trabalhos juntos. Em especial, quero agradecer ao Guilherme Coelho, por todos os concelhos e ideias trocadas durante este per(cid:19)(cid:16)odo da minha vida. Aos meus colegas do LNEC, especialmente ao Eng” Jo~ao Dias, obrigado por todo o aux(cid:19)(cid:16)lio e apoio prestado. Ao Laborat(cid:19)orio Nacional de Engenharia Civil, obrigado por todos os meios disponibilizados ao longo desta Disserta(cid:24)c~ao. Por (cid:12)m, quero agradecer a todos os professores do departamento de engenharia civil da FCT/UNL, por todos os ensinamentos, concelhos e motivac(cid:24)~ao. Resumo Esta Dissertac(cid:24)~ao tem como principal objetivo estudar, com base no modelo num(cid:19)erico IH-2VOF, a intera(cid:24)c~ao da agita(cid:24)c~ao mar(cid:19)(cid:16)tima com uma estrutura de aproveitamento da energia das ondas do tipo Coluna de A(cid:19)gua Oscilante (CAO) aberta. Este tipo de estrutura enquadra-se no grupo dispositivosdeconvers~aodeenergiadasondasmaisestudadosatualmente, j(cid:19)aque, asuainclus~ao em estruturas mar(cid:19)(cid:16)timas, tais como quebra-mares, permite o aproveitamento de energia que, de outra forma, seria dissipada. Especi(cid:12)camente,procura-secompreenderofuncionamentodaCAO,osfen(cid:19)omenosresultantes da intera(cid:24)c~ao onda/estrutura e a e(cid:12)ci^encia hidrodin^amica do dispositivo. Para tal, foi realizado um conjunto de simulac(cid:24)~oes em modelo num(cid:19)erico, (cid:18)a escala reduzida (1:35) e (cid:18)a escala prot(cid:19)otipo (1:1), utilizando condi(cid:24)c~oes de agitac(cid:24)~ao mar(cid:19)(cid:16)tima recorrentes na costa portuguesa. Numa primeira fase, o modelo num(cid:19)erico IH-2VOF (cid:19)e calibrado e validado atrav(cid:19)es da com- para(cid:24)c~ao entre os resultados num(cid:19)ericos e experimentais, obtidos em ensaios realizados recente- mente num canal do Laborat(cid:19)orio Nacional de Engenharia Civil. Essa comparac(cid:24)~ao centra-se nos valores de eleva(cid:24)c~ao de superf(cid:19)(cid:16)cie livre e no c(cid:19)alculo dos fen(cid:19)omenos intr(cid:19)(cid:16)nsecos (cid:18)a CAO (fa- tor de ampli(cid:12)ca(cid:24)c~ao, sloshing e ^angulo de fase). Para quanti(cid:12)car a aproximac(cid:24)~ao de resultados, calcularam-se alguns par^ametros estat(cid:19)(cid:16)sticos, como o erro quadr(cid:19)atico m(cid:19)edio (RMSE) e o(cid:19)(cid:16)ndice de concord^ancia. Numa segunda fase, realiza-se um estudo da hidrodin^amica e da geometria da CAO,visandoobteracon(cid:12)gura(cid:24)c~aogeom(cid:19)etricaassociadacomam(cid:19)aximae(cid:12)ci^enciahidrodin^amica para as condi(cid:24)c~oes de agitac(cid:24)~ao em estudo. S~ao analisadas duas dimens~oes da estrutura: (i) o comprimento submerso da parede frontal; (ii) o comprimento da c^amara interna. No que respeita (cid:18)a calibrac(cid:24)~ao e valida(cid:24)c~ao do modelo IH-2VOF, veri(cid:12)ca-se boa concord^ancia entre resultados num(cid:19)ericos e experimentais da eleva(cid:24)c~ao da superf(cid:19)(cid:16)cie livre, com valores RMSE menores que 5% e n(cid:19)(cid:16)veis de concord^ancia superiores a 91%. E(cid:19) ainda de real(cid:24)car, que existe uma boa reprodu(cid:24)c~ao pelo m(cid:19)etodo num(cid:19)erico de todos os fen(cid:19)omenos resultantes da interac(cid:24)~ao onda/es- trutura, veri(cid:12)cados durante os ensaios experimentais. No estudo da otimiza(cid:24)c~ao da geometria da CAO, veri(cid:12)ca-se que existe uma maior ampli(cid:12)cac(cid:24)~ao da coluna de (cid:19)agua quando a parede fron- tal est(cid:19)a menos submersa e c^amara interna (cid:19)e estreita. Menores comprimentos de submers~ao da parede frontal est~ao associados a menores velocidades, menor intensidade dos v(cid:19)ortices e menos re(cid:13)ex~ao das ondas incidentes. No entanto, o valores da geometria da CAO (cid:19)otimos n~ao devem ser estabelecidos tendo apenas em considera(cid:24)c~ao o fator de ampli(cid:12)ca(cid:24)c~ao, uma vez que existem exig^encias funcionais que devem ser respeitadas. Palavras chave: (cid:136) CAO - Coluna de A(cid:19)gua Oscilante. (cid:136) Calibra(cid:24)c~ao. (cid:136) Modelac(cid:24)~ao num(cid:19)erica. (cid:136) E(cid:12)ci^encia hidrodin^amica. (cid:136) IH-2VOF. (cid:136) Otimiza(cid:24)c~ao geom(cid:19)etrica. i Abstract This work concerns the study, based on the numerical model IH-2VOF, of a Wave Energy Converter (WEC), speci(cid:12)cally, a (cid:12)rst generation Oscillating Water Column structure (OWC). These, fall within the group of WEC’s that are currently most studied, being that, the inclusion of OWC’s in maritime structures such as breakwaters, allows energy, that would otherwise be dissipated, to be converted into electricity. Speci(cid:12)cally, the study regards the interaction between the sea waves and the structure, the resulting phenomenons of that interaction and the hydrodynamic e(cid:14)ciency of the converter. To this end, a set of numerical simulations were conducted, considering both reduced scale model of 1:35 (model scale) and full scale model of 1:1 (prototype scale), considering the most prevalent sea wave conditions in the Portuguese coast. Firstly, a calibration and validation process of the numerical model was carried out, com- paring the numerical results with experimental results, obtained by physical model tests on a schematic OWC structure at the National Laboratory of Civil Engineering. This comparison was based on the free surface values and the calculation of the intrinsic phenomena of the OWC (ampli(cid:12)cation factor, sloshing and phase angle). Statistic parameters such as the root mean square error and the agreement index were used to qualify the approximation degree of the re- sults. Onasecondanalysis, astudyofthehydrodynamicpropertiesandthestructuralgeometry isdeveloped, lookingtoobtainthegeometriccon(cid:12)gurationthatisassociatedwiththemaximum hydrodynamic e(cid:14)ciency. Two structural dimensions are analysed: (i) the submersion length of the front wall; (ii) the width of the internal chamber. Regarding the calibration and validation process, minor errors were obtained between the numerical and experimental free surface results, being that, the values of RMSE were always smaller than 5% and the agreement index always higher than 91%. It is established that all wavephenomenathatresultsfromthewave/structureinteractionveri(cid:12)edtheexperimentaltests are reproduced in good agreement by the numerical model. In the geometrical study it appears that there is a higher ampli(cid:12)cation factor of the water column when the front wall is slightly submerged and the inner chamber is narrow. Minor submersion lengths of the front wall are associated with lower velocities, less intensity of the vortexes and less re(cid:13)ection of the incident waves. However, the optimum geometrical values, should not be established taking into account only the ampli(cid:12)cation factor, since there are functional requirements that must be met. Keywords: (cid:136) OWC - Oscillating Water Column. (cid:136) Calibration. (cid:136) Numerical Modelling. (cid:136) Hydrodynamic e(cid:14)ciency. (cid:136) IH-2VOF. (cid:136) Geometrical optimization. iii