Research Article
BibTex RIS Cite

Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi

Year 2018, Volume: 33 Issue: 4, 133 - 146, 31.12.2018
https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.525151

Abstract

Bu çalışmada, düşey, düzlemsel ve rijit bir bariyerin, sabit genlik ve frekansa sahip su dalgaları ile etkileşimi problemi ele alınmıştır. Öncelikle problemin lineer dalga teorisi altında analitik çözümüne ilişkin yöntem verilmiştir. Daha sonra bir açık kaynaklı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan OpenFOAM kapsamındaki modüller aracılığıyla problemin sayısal çözümü gerçekleştirilmiştir. Ön aşama olarak, iki boyutlu sayısal dalga kanalı testleri ile, bu modüllerin dalga oluşturma ve sönümleme gibi özellikleri sınanmıştır. Analitik çözümlere kıyasla görülen en yüksek hata %1 olarak bulunmuştur. Belirlenen ağ ve çözücü özellikleri, batık bariyer probleminin modellenmesinde kullanılmıştır. Bariyerden yansıyan ve üreteçten çıkan dalgalar, lineer dalga teorisine dayalı olarak ayrıştırılmış, böylece yansıma ve iletilme katsayıları hesaplanmıştır. Çeşitli dalga frekansları için bulunan sonuçlar, hem analitik çözümle hem de literatürde yer alan deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak değerlendirildiğinde, nicel ve nitel olarak yüksek uyum yakalandığı görülmüştür. Ayrıca, viskozite etkilerinin de hesaba katılmasıyla, lineer teoride ihmal edilen enerji kayıpları da belirlenmiş; bu kayıpların başlıca nedeninin bariyer ucundaki çevri oluşumu olduğu görülmüştür. Bir kısmen batık bariyer uygulaması olan salınan su sütunu ön duvarındaki enerji kayıplarının, salınan su sütunu hidrodinamik verimi üzerindeki etkisi tartışılmıştır. 

References

  • 1. Evans, D.V., Porter, R., 1995. Hydrodynamic Characteristics of an Oscillating Water Column Device. Applied Ocean Research, 17(3), 155-164.
  • 2. Şentürk, U., Özdamar, A., 2012. Wave Energy Extraction by an Oscillating Water Column with a Gap on the Fully Submerged Front Wall. Applied Ocean Research, 37, 174-182.
  • 3. Manasseh, R., Mcinnes, K., Hemer, M., 2017. Pioneering Developments of Marine Renewable Energy in Australia, The International Journal of Ocean and Climate Systems, 8, 50-67.
  • 4. Morris-Thomas, M., Irvin, R.J., Thiagarajan, K.P., 2007. An Investigation into the Hydrodynamic Efficiency of an Oscillating Water Column, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 129, 273-278.
  • 5. Ning, D.Z., Wanga, R.Q., Zou, Q.P., Teng, B., 2016. An Experimental Investigation of Hydrodynamics of a Fixed OWC Wave Energy Converter , Applied Energy, 168, 636–648.
  • 6. Zhang, Y., Zou, Q.P., Greaves, D., 2012. Airwater Two-phase Flow Modelling of Hydrodynamic Performance of an Oscillating Water Column Device, Renewable Energy, 411, 59-170.
  • 7. Ning, D.Z., Wanga, R.Q., Zou, Q.P., Teng, B., 2015. Investigation of Hydrodynamic Performance of an OWC (Oscillating Water Column) Wave Energy Device Using a Fully Nonlinear HOBEM (Higher-order Boundary Element Method), Energy, 83, 177-188.
  • 8. Ursell, F., 1947. The Effect of a Fixed Vertical Barrier on Surface Waves in Deep Water, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Cambridge University Press, 43(3), 374-382.
  • 9. Mei, C.C., Black, J.L., 1969. Scattering of Surface Waves by Rectangular Obstacles in Waters of Finite Depth. Journal of Fluid Mechanics, 38(3), 499-511.
  • 10. McIver, P., 1985. Scattering of Water Waves by Two Surface-Piercing Vertical Barriers. IMA Journal of Applied Mathematics, 35(3), 339-355.
  • 11. Porter, R., Evans, D.V., 1995. Complementary Approximations to Wave Scattering by Vertical Barriers. Journal of Fluid Mechanics, 294, 155-180.
  • 12. Jacobsen, N.G., Fuhrman, D.R., Fredsøe, J., 2012. A Wave Generation Toolbox for the Open‐Source CFD Library: OpenFOAM®. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 70(9), 1073-1088.
  • 13. Kamath, A., Chella, M.A., Bihs, H., Arntsen, Ø.A., 2015. CFD Investigations of Wave Interaction With a Pair of Large Tandem Cylinders. Ocean Engineering, 108, 738-748.
  • 14. Kamath, A., Bihs, H., Arntsen, Ø.A., 2015. Numerical Modeling of Power Take-off Damping in an Oscillating Water Column Device. International Journal of Marine Energy, 10, 1-16.
  • 15. Vukčević, V., Jasak, H., Malenica, Š., 2016. Decomposition Model for Naval Hydrodynamic Applications, Part II: Verification and Validation. Ocean Engineering, 121, 76-88.
  • 16. Dean, R.G., Dalrymple, R.A., 1991. Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, World Scientific Publishing Co Inc, Singapore.
  • 17. Mei, C.C., Stiassnie, M., Yue, D.K.P., 1989. Theory and Applications of Ocean Surface Waves: Part 1: Linear Aspects, World Scientific Publishing Co Inc, Singapore.
  • 18. Chakrabarti, S.K., 1987. Hydrodynamics of Offshore Structures. Springer, Berlin.
  • 19. Ubbink, O., 1997. Numerical Prediction of Two Fluid Systems with Sharp Interfaces, Doktora Tezi, Imperial College.
  • 20. Stiassnie, M., Naheer, E., Boguslavsky, I., 1984. Energy Losses Due to Vortex Shedding From the Lower Edge of a Vertical Plate Attacked by Surface Waves. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 396(1810), 131-142.
  • 21. Knott, G., Flower, J., 1979. Wave-tank Experiments on an Immersed Parallel-plate Duct. Journal of Fluid Mechanics, 90(2), 327-336.

Investigating the Interaction of a Partially Submerged Barrier with Water Waves Using Open-Source Computational Fluid Dynamics

Year 2018, Volume: 33 Issue: 4, 133 - 146, 31.12.2018
https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.525151

Abstract

The interaction of a vertical, flat, rigid barrier with monochromatic water waves of constant amplitude is considered in this study. The method for the analytical solution to the problem under the assumptions of linear wave theory is introduced. This is followed by the numerical solution to the problem using the modules under the open-source computational fluid dynamics code OpenFOAM. As an initial stage, twodimensional, numerical wave flume tests are carried out where the wave generation and absorbing features are tested. Maximum error relative to analytical solutions is found to be 1%. Grid and solver properties to be used for the submerged barrier problem are determined at this stage. The reflected and incident wave signals are decomposed with an approach based on the linearized theory. Results obtained for several frequencies are found to be in good agreement with the analytical computations performed here and the experimental results obtained by other researchers. Taking the viscosity effects into account, the amount of energy loss which is neglected in the linearized thory is computed. The vortex formation at the tip is found to be the primary reason for this loss. Effects of the energy losses of the oscillating water column front wall which is a partially submerged barrier application, on the the oscillating water column hydrodynamic efficiency are investigated. 

References

  • 1. Evans, D.V., Porter, R., 1995. Hydrodynamic Characteristics of an Oscillating Water Column Device. Applied Ocean Research, 17(3), 155-164.
  • 2. Şentürk, U., Özdamar, A., 2012. Wave Energy Extraction by an Oscillating Water Column with a Gap on the Fully Submerged Front Wall. Applied Ocean Research, 37, 174-182.
  • 3. Manasseh, R., Mcinnes, K., Hemer, M., 2017. Pioneering Developments of Marine Renewable Energy in Australia, The International Journal of Ocean and Climate Systems, 8, 50-67.
  • 4. Morris-Thomas, M., Irvin, R.J., Thiagarajan, K.P., 2007. An Investigation into the Hydrodynamic Efficiency of an Oscillating Water Column, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 129, 273-278.
  • 5. Ning, D.Z., Wanga, R.Q., Zou, Q.P., Teng, B., 2016. An Experimental Investigation of Hydrodynamics of a Fixed OWC Wave Energy Converter , Applied Energy, 168, 636–648.
  • 6. Zhang, Y., Zou, Q.P., Greaves, D., 2012. Airwater Two-phase Flow Modelling of Hydrodynamic Performance of an Oscillating Water Column Device, Renewable Energy, 411, 59-170.
  • 7. Ning, D.Z., Wanga, R.Q., Zou, Q.P., Teng, B., 2015. Investigation of Hydrodynamic Performance of an OWC (Oscillating Water Column) Wave Energy Device Using a Fully Nonlinear HOBEM (Higher-order Boundary Element Method), Energy, 83, 177-188.
  • 8. Ursell, F., 1947. The Effect of a Fixed Vertical Barrier on Surface Waves in Deep Water, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Cambridge University Press, 43(3), 374-382.
  • 9. Mei, C.C., Black, J.L., 1969. Scattering of Surface Waves by Rectangular Obstacles in Waters of Finite Depth. Journal of Fluid Mechanics, 38(3), 499-511.
  • 10. McIver, P., 1985. Scattering of Water Waves by Two Surface-Piercing Vertical Barriers. IMA Journal of Applied Mathematics, 35(3), 339-355.
  • 11. Porter, R., Evans, D.V., 1995. Complementary Approximations to Wave Scattering by Vertical Barriers. Journal of Fluid Mechanics, 294, 155-180.
  • 12. Jacobsen, N.G., Fuhrman, D.R., Fredsøe, J., 2012. A Wave Generation Toolbox for the Open‐Source CFD Library: OpenFOAM®. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 70(9), 1073-1088.
  • 13. Kamath, A., Chella, M.A., Bihs, H., Arntsen, Ø.A., 2015. CFD Investigations of Wave Interaction With a Pair of Large Tandem Cylinders. Ocean Engineering, 108, 738-748.
  • 14. Kamath, A., Bihs, H., Arntsen, Ø.A., 2015. Numerical Modeling of Power Take-off Damping in an Oscillating Water Column Device. International Journal of Marine Energy, 10, 1-16.
  • 15. Vukčević, V., Jasak, H., Malenica, Š., 2016. Decomposition Model for Naval Hydrodynamic Applications, Part II: Verification and Validation. Ocean Engineering, 121, 76-88.
  • 16. Dean, R.G., Dalrymple, R.A., 1991. Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, World Scientific Publishing Co Inc, Singapore.
  • 17. Mei, C.C., Stiassnie, M., Yue, D.K.P., 1989. Theory and Applications of Ocean Surface Waves: Part 1: Linear Aspects, World Scientific Publishing Co Inc, Singapore.
  • 18. Chakrabarti, S.K., 1987. Hydrodynamics of Offshore Structures. Springer, Berlin.
  • 19. Ubbink, O., 1997. Numerical Prediction of Two Fluid Systems with Sharp Interfaces, Doktora Tezi, Imperial College.
  • 20. Stiassnie, M., Naheer, E., Boguslavsky, I., 1984. Energy Losses Due to Vortex Shedding From the Lower Edge of a Vertical Plate Attacked by Surface Waves. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 396(1810), 131-142.
  • 21. Knott, G., Flower, J., 1979. Wave-tank Experiments on an Immersed Parallel-plate Duct. Journal of Fluid Mechanics, 90(2), 327-336.
There are 21 citations in total.

Details

Primary Language Turkish
Journal Section Articles
Authors

Erdem Kaya This is me

Utku Şentürk

Publication Date December 31, 2018
Published in Issue Year 2018 Volume: 33 Issue: 4

Cite

APA Kaya, E., & Şentürk, U. (2018). Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(4), 133-146. https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.525151
AMA Kaya E, Şentürk U. Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi. cukurovaummfd. December 2018;33(4):133-146. doi:10.21605/cukurovaummfd.525151
Chicago Kaya, Erdem, and Utku Şentürk. “Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları Ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Ile İncelenmesi”. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi 33, no. 4 (December 2018): 133-46. https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.525151.
EndNote Kaya E, Şentürk U (December 1, 2018) Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi 33 4 133–146.
IEEE E. Kaya and U. Şentürk, “Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi”, cukurovaummfd, vol. 33, no. 4, pp. 133–146, 2018, doi: 10.21605/cukurovaummfd.525151.
ISNAD Kaya, Erdem - Şentürk, Utku. “Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları Ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Ile İncelenmesi”. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi 33/4 (December 2018), 133-146. https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.525151.
JAMA Kaya E, Şentürk U. Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi. cukurovaummfd. 2018;33:133–146.
MLA Kaya, Erdem and Utku Şentürk. “Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları Ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Ile İncelenmesi”. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 33, no. 4, 2018, pp. 133-46, doi:10.21605/cukurovaummfd.525151.
Vancouver Kaya E, Şentürk U. Kısmen Batık Bir Bariyerin Su Dalgaları ile Etkileşiminin Açık Kaynaklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi. cukurovaummfd. 2018;33(4):133-46.