| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 6.92 MB | Adobe PDF |
Advisor(s)
Abstract(s)
Offshore wind turbines are primarily designed to capture the kinetic energy of the wind and convert it into electrical power. Due to their remote and often inaccessible locations, one potential solution for maintenance is the development of underwater robotic vehicles. These vehicles would need to be highly autonomous, capable of operating continuously for extended periods before returning to base for recharging. Achieving this level of autonomy necessitates a high level of hydrodynamics efficiency. The primary objective of this dissertation is to estimate the hydrodynamic parameters, specifically the added mass and damping matrices, of a dynamic model of an autonomous underwater vehicle. These matrices were estimated using the computational fluid dynamics software OpenFOAM. Due to the complex geometry of the vehicle, it is not possible to validate
the obtained results with analytical methods. Therefore, to validate the simulations, simple geometries, a sphere and a spheroid, were used to compare computational results with analytically derived values. The small deviation between both methods confirmed the validity of the simulation models. Posteriorly, the underwater vehicle was implemented in the simulation, taking into account mesh convergence and selecting an appropriate domain size. The achieved coefficients were considered accurate as they are in conformity with the vehicle’s
geometry. Other parameters of the chosen dynamic model, such as the rigid body mass matrix, restoring forces, and the Coriolis and centripetal matrix, were estimated analytically. Lastly, modifications to the geometry were suggested to increase the hydrodynamic efficiency of the underwater vehicle, based on the high-pressure zones identified in OpenFOAM. To conclude, the computational simulations were successfully validated with the simple geometries, and then extrapolated for the underwater vehicle, in order to attain precise hydrodynamic coefficients. In case of modifications on the current geometry, these simulations can also be used to estimate the new coefficients, and conclude if the geometry became more hydrodynamically efficient.
As turbinas eólicas offshore são projetadas principalmente para capturar a energia cinética do vento e convertê-la em energia elétrica. Devido às suas localizações remotas e muitas vezes inacessíveis, uma solução potencial para manutenção é o desenvolvimento de veículos robóticos subaquáticos. Estes veículos teriam de ser altamente autónomos, capazes de operar continuamente durante longos períodos antes de regressarem à base para serem recarregados. Alcançar este nível de autonomia requer um alto nível de eficiência hidrodinâmica. O objetivo principal desta dissertação foi estimar os parâmetros hidrodinâmicos, especificamente as matrizes de massa adicionada e de atrito, de um modelo dinâmico de um veículo subaquático autónomo. Essas matrizes foram estimadas utilizando o software de dinâmica de fluidos computacional OpenFOAM. Devido à geometria complexa do veículo, não é possível validar os resultados obtidos com métodos analíticos. Tendo isso em conta, para validar as simulações, foram utilizadas geometrias simples, uma esfera e um esferoide, para comparar resultados computacionais com valores derivados analiticamente. O pequeno desvio entre os dois métodos confirmou a validade dos modelos de simulação. Posteriormente, o veículo subaquático foi implementado na simulação, tendo em consideração a convergência da malha e selecionando um tamanho de domínio apropriado. Os coeficientes alcançados foram considerados precisos por estarem em conformidade com a geometria do veículo. Outros parâmetros do modelo dinâmico escolhido, como a matriz de massa corporal rígida, as forças restauradoras e a matriz de Coriolis e centrípeta, foram estimados analiticamente. Por fim, foram sugeridas modificações na geometria para aumentar a eficiência hidrodinâmica do veículo subaquático, com base nas zonas de alta pressão identificadas no OpenFOAM. Para concluir, as simulações computacionais foram validadas com sucesso com as geometrias simples, e depois extrapoladas para o veículo subaquático, a fim de obter coeficientes hidrodinâmicos precisos. Em caso de modificações na geometria atual, estas simulações também podem ser utilizadas para estimar os novos coeficientes, e concluir se a geometria se tornou mais hidrodinamicamente eficiente.
As turbinas eólicas offshore são projetadas principalmente para capturar a energia cinética do vento e convertê-la em energia elétrica. Devido às suas localizações remotas e muitas vezes inacessíveis, uma solução potencial para manutenção é o desenvolvimento de veículos robóticos subaquáticos. Estes veículos teriam de ser altamente autónomos, capazes de operar continuamente durante longos períodos antes de regressarem à base para serem recarregados. Alcançar este nível de autonomia requer um alto nível de eficiência hidrodinâmica. O objetivo principal desta dissertação foi estimar os parâmetros hidrodinâmicos, especificamente as matrizes de massa adicionada e de atrito, de um modelo dinâmico de um veículo subaquático autónomo. Essas matrizes foram estimadas utilizando o software de dinâmica de fluidos computacional OpenFOAM. Devido à geometria complexa do veículo, não é possível validar os resultados obtidos com métodos analíticos. Tendo isso em conta, para validar as simulações, foram utilizadas geometrias simples, uma esfera e um esferoide, para comparar resultados computacionais com valores derivados analiticamente. O pequeno desvio entre os dois métodos confirmou a validade dos modelos de simulação. Posteriormente, o veículo subaquático foi implementado na simulação, tendo em consideração a convergência da malha e selecionando um tamanho de domínio apropriado. Os coeficientes alcançados foram considerados precisos por estarem em conformidade com a geometria do veículo. Outros parâmetros do modelo dinâmico escolhido, como a matriz de massa corporal rígida, as forças restauradoras e a matriz de Coriolis e centrípeta, foram estimados analiticamente. Por fim, foram sugeridas modificações na geometria para aumentar a eficiência hidrodinâmica do veículo subaquático, com base nas zonas de alta pressão identificadas no OpenFOAM. Para concluir, as simulações computacionais foram validadas com sucesso com as geometrias simples, e depois extrapoladas para o veículo subaquático, a fim de obter coeficientes hidrodinâmicos precisos. Em caso de modificações na geometria atual, estas simulações também podem ser utilizadas para estimar os novos coeficientes, e concluir se a geometria se tornou mais hidrodinamicamente eficiente.
Description
Keywords
Autonomous underwater vehicle OpenFOAM Computational fluid dynamics Added mass matrix Damping matrix Dynamic model Veículo subaquático autónomo Dinâmica de fluídos computacional Matriz de massa adicionada Matriz de atrito Modelo dinâmico