Il dispositivo OWC (Oscillating Water Column) rappresenta una tecnologia emergente per la conversione dell'energia delle onde, ma le sue prestazioni dipendono da una serie di parametri idrodinamici che devono essere attentamente analizzati e ottimizzati. Questo studio esplora vari aspetti che influenzano l'efficienza del sistema OWC, tra cui il coefficiente di riflessione delle onde, l'efficienza idrodinamica, e l'impatto delle forze sulle strutture del dispositivo. Le simulazioni e le analisi numeriche effettuate forniscono una comprensione approfondita di questi fattori, cruciali per il design e l'ottimizzazione del dispositivo.

L'efficienza idrodinamica di un array OWC dipende fortemente dall'angolo di incidenza delle onde, dalla frequenza delle onde e dal fenomeno di risonanza delle onde. La riflessione delle onde gioca un ruolo fondamentale nell'efficacia di cattura dell'energia: come si osserva nei risultati, la riflessione delle onde aumenta al variare dell'angolo di incidenza, modificando così la frequenza ottimale per l'estrazione di energia. Questo implica che un dispositivo OWC deve essere progettato tenendo conto non solo delle onde normali, ma anche delle onde oblique, che possono avere un impatto significativo sulla performance.

Per quanto riguarda la distribuzione delle forze sulle strutture, come la parete frontale e la parete laterale, i dati mostrano che l'angolo di incidenza delle onde influisce in modo determinante sulla distribuzione delle forze. A frequenze elevate, le forze sulle pareti del dispositivo mostrano picchi, dovuti principalmente al fenomeno di sloshing (risposta oscillatoria del fluido), che deve essere considerato nel design strutturale. Queste forze, se non gestite correttamente, possono compromettere la stabilità e la durata del dispositivo. Per esempio, i picchi di forza che si verificano a determinate frequenze sotto l'azione di onde oblique non si manifestano con onde normali, evidenziando l'importanza di includere queste variabili nel processo di progettazione.

Inoltre, la lunghezza dell'array OWC in direzione lungo la costa gioca un ruolo chiave nell'efficienza del dispositivo. Le simulazioni indicano che un aumento della lunghezza dell'array riduce la larghezza di banda della frequenza efficace per l'estrazione di energia. Questo fenomeno è particolarmente rilevante quando l'angolo di incidenza delle onde non è perpendicolare alla struttura: un'errata progettazione della lunghezza dell'array potrebbe quindi portare a una significativa perdita di efficienza. Il fenomeno di sloshing che si verifica all'interno della camera d'aria del dispositivo, in particolare nella direzione lungo la costa, può inoltre generare un abbassamento significativo dell'efficienza idrodinamica a frequenze specifiche.

Al fine di migliorare la progettazione e l'efficienza dei dispositivi OWC, è essenziale ottimizzare i coefficienti di smorzamento del PTO (Power Take-Off) e la gestione delle forze interne. L'approccio numerico permette di determinare i coefficienti sconosciuti per i potenziali di velocità di diffrazione e radiazione, utilizzando le condizioni di continuità dei potenziali di velocità ai confini dei sottodomini. Questi calcoli sono fondamentali per ottenere una soluzione che permetta di migliorare la risposta idrodinamica dell'intero sistema.

L'analisi dettagliata dei parametri idrodinamici, che include la riflessione delle onde, la cattura dell'energia e l'effetto delle forze sulle strutture, è quindi cruciale per l'ottimizzazione di un dispositivo OWC. La comprensione dei fenomeni di risonanza e sloshing, unita a una progettazione accurata dei parametri geometrici e delle condizioni operative, consente di massimizzare l'efficienza del sistema e migliorare la sua sostenibilità e durabilità nel tempo.

Come le modalità di risonanza influenzano l'efficienza idrodinamica degli array di Colonne d'Acqua Oscillanti sopra batimetrie complesse

Lo studio delle onde in ambienti marini con batimetrie variabili è fondamentale per ottimizzare l'efficienza degli impianti di energia da onde, in particolare per quelli che sfruttano l'effetto della Colonna d'Acqua Oscillante (OWC, Oscillating Water Column). La risonanza delle onde gioca un ruolo cruciale nell'interazione tra le onde incidenti e la morfologia del fondale marino, creando variazioni significative nell'efficienza idrodinamica di tali sistemi. Le frequenze di risonanza, come quelle identificate nelle simulazioni per kh1 = 0.20, 0.64, e 1.21, corrispondono ai picchi e ai minimi di efficienza idrodinamica, come osservato in Figura 5.4. Tuttavia, esistono leggere discrepanze tra le frequenze previste e le posizioni effettive di questi picchi, che potrebbero essere attribuite alla non considerazione dell'effetto dell'innalzamento dell'acqua nei calcoli.

Nel dettaglio, il comportamento delle onde sopra una barriera corallina è variato in base ai valori delle frequenze di risonanza. Per kh1 = 0.24 (modalità di risonanza j = 0), si osserva un'ampiezza di onda molto alta, che supera quattro volte quella dell'onda incidente. Questo fenomeno di amplificazione è evidente anche nella zona della laguna e della piattaforma corallina. Al contrario, per kh1 = 0.54 (modalità j = 1), l'ampiezza diminuisce, e per kh1 = 1.20 (modalità j = 2), si riscontra di nuovo un'intensa amplificazione in prossimità della barriera corallina. Le onde di risonanza non sono distribuite uniformemente e mostrano significative differenze tra le modalità j = 0, j = 1, e j = 2, il che implica che la posizione e la distribuzione dell'amplificazione dell'onda sono strettamente legate al tipo di risonanza in atto.

L'analisi delle onde nel dominio del tempo (Figura 5.6) conferma ulteriormente l'esistenza di nodi di onda nelle posizioni predette (ad esempio a x = 42.5 m e x = 33.2 m per le modalità j = 0 e j = 1, rispettivamente), evidenziando la relazione tra la posizione dei nodi e le modalità di risonanza in un bacino a estremità aperte. L'evoluzione dell'ampiezza dell'onda nel tempo mostra anche variazioni significative, con i massimi e minimi che si alternano con il passare dei cicli.

L'influenza dell'angolo di incidenza delle onde (Figura 5.8) è altrettanto rilevante. Con angoli obliqui, si osserva un restringimento della larghezza della banda di frequenze per cui l'efficienza idrodinamica supera il 50%. Questo è dovuto a fenomeni di riflessione delle onde, che riducono l'efficienza del sistema. L'aumento dell'angolo di incidenza sposta la frequenza di attivazione della riflessione verso frequenze più basse, riducendo ulteriormente l'efficacia dell'array OWC.

Nel contesto di fondali con batimetrie irregolari, come nel caso di fondali con gradini (Figura 5.9), l'efficienza idrodinamica degli impianti OWC aumenta notevolmente. I gradini sottomarini agiscono come elementi che favoriscono la risonanza delle onde, migliorando l'efficienza energetica attraverso l'amplificazione delle onde stazionarie. Studi come quelli di Rezanejad e Soares (2015) hanno dimostrato che un sistema OWC con un fondale a gradoni si comporta in modo simile a un sistema WEC a doppia massa, il che contribuisce a migliorare le prestazioni complessive. L'aggiunta di un gradone sommerso può ridurre la trasmissione delle onde e migliorare l'efficienza della conversione dell'energia.

L'effetto della morfologia complessa del fondale marino sulle prestazioni di un impianto OWC non può essere sottovalutato. La presenza di una barriera corallina o di una batimetria a gradoni può portare a una significativa amplificazione dell'onda e a una conseguente maggiore efficienza nel convertire l'energia delle onde in energia elettrica. È quindi fondamentale progettare e ottimizzare questi impianti in base alla geometria del fondale per sfruttare appieno le potenzialità delle risonanze che si formano sopra di esso.

Come le condizioni estreme influenzano l'integrità strutturale delle strutture a colonna d'acqua oscillante: Analisi delle forze idrodinamiche sotto flusso di rottura della diga

Le forze derivanti dalle onde estreme durante condizioni meteorologiche severe possono compromettere l'integrità strutturale di dispositivi come le strutture a colonna d'acqua oscillante (OWC), causando danni significativi o addirittura il loro fallimento. Un esempio rilevante è la centrale di energia da onde Mutriku in Spagna, che è stata gravemente influenzata da una tempesta. Un particolare scenario di carico critico per le OWC costiere è quello del “wave slamming”, un impatto imprevedibile che può portare al cedimento delle strutture. Gli studi sui carichi delle onde in strutture costiere e offshore sono stati ampiamente condotti negli ultimi anni utilizzando metodi teorici, numerici, sperimentali e di osservazione sul campo, affrontando aspetti relativi agli effetti non lineari di forte intensità.

Le OWC differiscono chiaramente dalle strutture tradizionali, come i cilindri e le barriere frangiflutti. La parete anteriore di un OWC è sottile, e la compressione dell'aria nella camera può essere significativa durante l'estrazione di energia dalle onde. Per questo motivo, sono necessarie indagini approfondite per comprendere il comportamento delle OWC in presenza di eventi estremi di onde. Studi precedenti, come quelli di Patterson et al., hanno esaminato le forze di slittamento sulle OWC e l'influenza della geometria del dispositivo sui momenti di ribaltamento indotti dalle onde. Boccotti ha analizzato la distribuzione delle pressioni delle onde sui frangiflutti integrati con OWC, concentrandosi sia sulle forze delle onde sia sui momenti di ribaltamento, mentre Viviano et al. hanno condotto esperimenti che hanno correlato la riflessione delle onde e i carichi con il variare dei rapporti di apertura.

La distribuzione della pressione e dei carichi in condizioni diverse è ampiamente documentata. Romolo et al. hanno condotto una prova in scala 1:8 di un frangiflutto U-OWC presso il laboratorio NOEL vicino alla spiaggia di Reggio Calabria, in Italia. Altri ricercatori, come Mayon et al., Zhang et al. e Ko et al., hanno investigato l'uso di pareti perforate per ridurre i carichi sull'Owc caisson, confermando l'efficacia di queste soluzioni nel ridurre i carichi. Il modello di flusso di rottura della diga, spesso utilizzato come analogia per le onde oceaniche estreme, si è rivelato utile nell'esplorare le interazioni onda-struttura sotto condizioni estreme. Zhao et al. hanno condotto indagini numeriche ed esperimentali sul comportamento idrodinamico delle OWC caisson sotto l'azione di flussi di rottura della diga, presentando le caratteristiche di carico e il comportamento del flusso nei dispositivi. Pan et al. hanno studiato l'effetto delle pareti perforate sui carichi sulle OWC caisson, scoprendo che la forza di slamming sul caisson può essere ridotta con l'introduzione di una parete perforata.

In questo capitolo, esaminiamo le performance dei dispositivi OWC a terra sotto condizioni di flusso di rottura della diga, utilizzando sia approcci sperimentali che numerici. La ricerca numerica impiega il software open-source OpenFOAM®, noto per la sua robustezza e per la capacità di risolvere complessi problemi di dinamica dei fluidi, come il flusso di fluidi e la turbolenza, utilizzando il metodo dei volumi finiti. Il solutore compressibleInterFoam è stato scelto per risolvere le equazioni di Navier-Stokes mediate per il tempo (RANS), un metodo ideale per affrontare problemi di flusso bifase, che incorporano effetti come l'immiscibilità, la viscosità e la turbolenza.

Le simulazioni numeriche in questo studio sono state realizzate su un dominio computazionale progettato in base ai parametri sperimentali. Il dominio della simulazione, che riproduce la geometria dell’esperimento, è stato caratterizzato da una vasca con dimensioni specifiche e condizioni iniziali determinate per la simulazione del comportamento idrodinamico. Le pareti laterali sono state impostate con condizioni di simmetria, mentre le rimanenti pareti sono state configurate con condizioni di non-scivolamento. Inoltre, il limite superiore del dominio di calcolo è rimasto aperto, permettendo il flusso d'aria libero, mentre il comportamento del flusso vicino alle pareti è stato modellato mediante una funzione di parete per ottimizzare l’efficienza computazionale. Le simulazioni hanno dimostrato che l'inserimento di una parete perforata riduce efficacemente il carico sulle strutture OWC in condizioni estreme.

Una parte cruciale dello studio riguarda la validazione del modello numerico attraverso esperimenti fisici, in cui il comportamento idrodinamico e i carichi sulle OWC sono stati misurati sotto l'azione di un flusso di rottura della diga. Questo approccio combinato di simulazioni numeriche e test fisici offre una panoramica completa delle forze in gioco durante eventi estremi.

Per approfondire ulteriormente, è importante comprendere che la simulazione di eventi estremi come il flusso di rottura della diga offre non solo informazioni sulle forze strutturali ma anche sulle modalità di risposta dinamica delle strutture. Le interazioni tra l'onda e la struttura non sono sempre prevedibili e possono essere influenzate da numerosi fattori, tra cui la geometria del dispositivo e la distribuzione della pressione. Un altro aspetto da considerare riguarda l'efficacia delle soluzioni di protezione, come le pareti perforate, che non solo riducono i carichi diretti ma potrebbero anche migliorare la stabilità complessiva delle strutture.

Quali sono i componenti principali di un database relazionale e come interagiscono tra loro?
Come i Cicli dei Materiali Naturali Influenzano il Riciclo: Un'Analisi del Ciclo delle Risorse Minerali e la Loro Applicazione nell'Edilizia
Come la compassione verso se stessi influisce sulla salute e sul benessere
Come la Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD) Rivoluziona la Progettazione degli Scambiatori di Calore