As ondas são uma das fontes energéticas mais importantes para a modelagem da geometria das costas em todo o mundo e constituem-se uma ameaça às obras costeiras e operações em mar aberto. O clima de ondas tem grande influência nos processos erosivos de uma praia com isso conhecer seu comportamento no tempo e no espaço é necessário para resolver as dinâmicas destes processos e também para a realização de obras costeiras, recuperação e reconstrução praial e operações em mar aberto. A profundidade de fechamento assim como o limite oceânico são parâmetros importantes para o estabelecimento dos limites de movimento dos sedimentos. Os objetivos deste trabalho são preencher as falhas de dados do ondógrafo, utilizando dois métodos estatísticos: regressão simples e regressão múltipla. E também calcular por meio de equações empíricas a profundidade de fechamento e o limite oceânico empregando-se os dados não preenchidos e os dados preenchidos. Este trabalho utilizou-se dados de um ondógrafo, coletados no ano de 2007 de Janeiro a Setembro na costa do litoral norte do Rio Grande do Sul. Para o preenchimento foi utilizado os métodos de regressão simples e múltipla utilizando dados do modelo WAVEWATCH III, procedentes do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos e da estação meteorológica de Tramandaí. Com base nestes dados foram calculados diversos parâmetros estatísticos para verificar qual dos métodos alcançou a melhor resposta para o preenchimento das falhas. A profundidade de fechamento e o limite oceânico foram calculados utilizando fórmulas empíricas de Hallermeier (1981) e Birkemeier (1985) tanto para os dados não preenchidos como para os dados preenchidos. Os resultados obtidos mostraram que a regressão múltipla apresentou um melhor preenchimento segundo os parâmetros estatísticos e que os valores da profundidade de fechamento variaram entre 6,87 e 4,84 m, 6,62 e 4,74 m, 6,74 e 4,82 m para os dados não preenchidos, regressão simples e múltipla respectivamente e entre 30,20 e 24,80 m, 30,57 e 25,39 m, 30,77 e 25,51 m para o limite oceânico. / The waves are one of the most important energy sources for modeling the geometry of the coasts in the world and constitute a threat to coastal works and operations in open sea. The wave climate has a great influence on the erosion of a beach to know that their behavior in time and space is needed to resolve the dynamics of these processes and also to carry out coastal works, rehabilitation and reconstruction Beach Grass and open ocean operations. The closure depth and seaward limit are important parameters for establishing the limits of movement of sediments. The objectives are to conduct filling the gaps of data waverider, using two statistical methods: simple regression and multiple regression. And also calculate by empirical equations the closure depth and seaward limit using the data has not been completed and the data completed. This study used data from a waverider, collected in 2007 from January to September in the northern coast of Rio Grande do Sul to the filling has been used methods of simple and multiple regression model using data from WAVEWATCH III, coming Center for Weather Forecasting and Climate Studies and the meteorological station of Tramandaí. Based on these data were calculated several statistical parameters to determine which of the methods achieved the best answer to fill the gaps. The closure depth and seaward limit were calculated using empirical formulas of Hallermeier (1981) and Birkemeier (1985) data for both unfilled and filled to the data. The results showed that multiple regression analysis showed a better filling according to statistical parameters and the values of the closure depth varied between 6.87 and 4.84 m, 6.62 m and 4.74, 6.74 and 4, 82 m for the data is not filled, simple and multiple regression, respectively, and between 30.20 and 24.80 m, 30.57 m and 25.39, 30.77 and 25.51 m for the seaward limit.

As ondas são uma das fontes energéticas mais importantes para a modelagem da geometria das costas em todo o mundo e constituem-se uma ameaça às obras costeiras e operações em mar aberto. O clima de ondas tem grande influência nos processos erosivos de uma praia com isso conhecer seu comportamento no tempo e no espaço é necessário para resolver as dinâmicas destes processos e também para a realização de obras costeiras, recuperação e reconstrução praial e operações em mar aberto. A profundidade de fechamento assim como o limite oceânico são parâmetros importantes para o estabelecimento dos limites de movimento dos sedimentos. Os objetivos deste trabalho são preencher as falhas de dados do ondógrafo, utilizando dois métodos estatísticos: regressão simples e regressão múltipla. E também calcular por meio de equações empíricas a profundidade de fechamento e o limite oceânico empregando-se os dados não preenchidos e os dados preenchidos. Este trabalho utilizou-se dados de um ondógrafo, coletados no ano de 2007 de Janeiro a Setembro na costa do litoral norte do Rio Grande do Sul. Para o preenchimento foi utilizado os métodos de regressão simples e múltipla utilizando dados do modelo WAVEWATCH III, procedentes do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos e da estação meteorológica de Tramandaí. Com base nestes dados foram calculados diversos parâmetros estatísticos para verificar qual dos métodos alcançou a melhor resposta para o preenchimento das falhas. A profundidade de fechamento e o limite oceânico foram calculados utilizando fórmulas empíricas de Hallermeier (1981) e Birkemeier (1985) tanto para os dados não preenchidos como para os dados preenchidos. Os resultados obtidos mostraram que a regressão múltipla apresentou um melhor preenchimento segundo os parâmetros estatísticos e que os valores da profundidade de fechamento variaram entre 6,87 e 4,84 m, 6,62 e 4,74 m, 6,74 e 4,82 m para os dados não preenchidos, regressão simples e múltipla respectivamente e entre 30,20 e 24,80 m, 30,57 e 25,39 m, 30,77 e 25,51 m para o limite oceânico. / The waves are one of the most important energy sources for modeling the geometry of the coasts in the world and constitute a threat to coastal works and operations in open sea. The wave climate has a great influence on the erosion of a beach to know that their behavior in time and space is needed to resolve the dynamics of these processes and also to carry out coastal works, rehabilitation and reconstruction Beach Grass and open ocean operations. The closure depth and seaward limit are important parameters for establishing the limits of movement of sediments. The objectives are to conduct filling the gaps of data waverider, using two statistical methods: simple regression and multiple regression. And also calculate by empirical equations the closure depth and seaward limit using the data has not been completed and the data completed. This study used data from a waverider, collected in 2007 from January to September in the northern coast of Rio Grande do Sul to the filling has been used methods of simple and multiple regression model using data from WAVEWATCH III, coming Center for Weather Forecasting and Climate Studies and the meteorological station of Tramandaí. Based on these data were calculated several statistical parameters to determine which of the methods achieved the best answer to fill the gaps. The closure depth and seaward limit were calculated using empirical formulas of Hallermeier (1981) and Birkemeier (1985) data for both unfilled and filled to the data. The results showed that multiple regression analysis showed a better filling according to statistical parameters and the values of the closure depth varied between 6.87 and 4.84 m, 6.62 m and 4.74, 6.74 and 4, 82 m for the data is not filled, simple and multiple regression, respectively, and between 30.20 and 24.80 m, 30.57 m and 25.39, 30.77 and 25.51 m for the seaward limit.

As ondas são uma das fontes energéticas mais importantes para a modelagem da geometria das costas em todo o mundo e constituem-se uma ameaça às obras costeiras e operações em mar aberto. O clima de ondas tem grande influência nos processos erosivos de uma praia com isso conhecer seu comportamento no tempo e no espaço é necessário para resolver as dinâmicas destes processos e também para a realização de obras costeiras, recuperação e reconstrução praial e operações em mar aberto. A profundidade de fechamento assim como o limite oceânico são parâmetros importantes para o estabelecimento dos limites de movimento dos sedimentos. Os objetivos deste trabalho são preencher as falhas de dados do ondógrafo, utilizando dois métodos estatísticos: regressão simples e regressão múltipla. E também calcular por meio de equações empíricas a profundidade de fechamento e o limite oceânico empregando-se os dados não preenchidos e os dados preenchidos. Este trabalho utilizou-se dados de um ondógrafo, coletados no ano de 2007 de Janeiro a Setembro na costa do litoral norte do Rio Grande do Sul. Para o preenchimento foi utilizado os métodos de regressão simples e múltipla utilizando dados do modelo WAVEWATCH III, procedentes do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos e da estação meteorológica de Tramandaí. Com base nestes dados foram calculados diversos parâmetros estatísticos para verificar qual dos métodos alcançou a melhor resposta para o preenchimento das falhas. A profundidade de fechamento e o limite oceânico foram calculados utilizando fórmulas empíricas de Hallermeier (1981) e Birkemeier (1985) tanto para os dados não preenchidos como para os dados preenchidos. Os resultados obtidos mostraram que a regressão múltipla apresentou um melhor preenchimento segundo os parâmetros estatísticos e que os valores da profundidade de fechamento variaram entre 6,87 e 4,84 m, 6,62 e 4,74 m, 6,74 e 4,82 m para os dados não preenchidos, regressão simples e múltipla respectivamente e entre 30,20 e 24,80 m, 30,57 e 25,39 m, 30,77 e 25,51 m para o limite oceânico. / The waves are one of the most important energy sources for modeling the geometry of the coasts in the world and constitute a threat to coastal works and operations in open sea. The wave climate has a great influence on the erosion of a beach to know that their behavior in time and space is needed to resolve the dynamics of these processes and also to carry out coastal works, rehabilitation and reconstruction Beach Grass and open ocean operations. The closure depth and seaward limit are important parameters for establishing the limits of movement of sediments. The objectives are to conduct filling the gaps of data waverider, using two statistical methods: simple regression and multiple regression. And also calculate by empirical equations the closure depth and seaward limit using the data has not been completed and the data completed. This study used data from a waverider, collected in 2007 from January to September in the northern coast of Rio Grande do Sul to the filling has been used methods of simple and multiple regression model using data from WAVEWATCH III, coming Center for Weather Forecasting and Climate Studies and the meteorological station of Tramandaí. Based on these data were calculated several statistical parameters to determine which of the methods achieved the best answer to fill the gaps. The closure depth and seaward limit were calculated using empirical formulas of Hallermeier (1981) and Birkemeier (1985) data for both unfilled and filled to the data. The results showed that multiple regression analysis showed a better filling according to statistical parameters and the values of the closure depth varied between 6.87 and 4.84 m, 6.62 m and 4.74, 6.74 and 4, 82 m for the data is not filled, simple and multiple regression, respectively, and between 30.20 and 24.80 m, 30.57 m and 25.39, 30.77 and 25.51 m for the seaward limit.

A conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica é uma alternativa para o problema da falta de combustíveis fósseis. Uma das possibilidades de aproveitamento é através de dispositivos cujo princípio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO). No presente trabalho o objetivo é, através da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, maximizar a potência hidropneumática de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar do tipo CAO. São analisados diferentes eixos da restrição física, no formato elíptico, que representa a turbina, e duas formas geométricas na região de transição entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO: trapezoidal e semicircular. Considerando um domínio bidimensional, as restrições para estes problemas são: Área da restrição elíptica (AR), Área total do dispositivo (AT) e razão entre a área da restrição elíptica e a área total (ϕn). Os graus de liberdade analisados são: a razão entre os comprimentos dos eixos da restrição elíptica (d1/d2) para o caso da restrição física da turbina, o ângulo de inclinação da parede (α) para o caso com região de transição trapezoidal, o raio (r) e H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) para o caso com região de transição semicircular. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com um dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos indicam que, para o estudo da região de transição trapezoidal o desempenho do conversor tem aproximadamente o mesmo desempenho para todas as geometrias estudadas. A região de transição semicircular, apresenta resultados para os quais foi possível otimizar a potência hidropneumática. O estudo da turbina indica que foi possível determinar uma geometria capaz de converter a energia da onda incidente ao dispositivo, sem que ocorresse a obstrução do escoamento de ar na chaminé do dispositivo CAO. Assim, mostra-se a relação entre o método Design Construtal e o clima de ondas na definição das dimensões que maximizam a potência hidropneumática. / The conversion of ocean’s wave energy into electrical energy is an alternative for the scarcity of fossil fuels. One of the possibilities of energy use is through devices, whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC). In this work the aim is, through computer modeling and the Constructal Design, to maximize hydropneumatic power of a power converter device type OWC. Different axes of physical constraint with elliptical shape, representing the effect of the turbine , are analyzed. Two geometric shapes in the transition region between the hydropneumatic chamber and the chimney OWC device, trapezoidal and semicircular, are also analyzed. Considering a two-dimensional domain the restrictions for this problem are: Elliptical restriction area (AR), Total area device (AT) and the ratio between the area of the elliptical restraint and the total area (ϕn). The considered degrees of freedom are: the ratio between the lengths of the axes (d1/d2) of the elliptical restraint, for the turbine’s physical constraint case, the inclination angle (α) of the wall for the trapezoidal transition case, and the radius (r) and H2/l (ratio between height and length of output chimney CAO) for the semicircular transition region case. For the numerical solution, a commercial code of computational fluid dynamics, FLUENT®, which is based on the Finite Volume Method (FVM), is employed. The multiphase model Volume of Fluid (VOF) is applied in the treatment of water-air interaction. The computational domain is represented by a wave tank with a fixed OWC device. The obtained results indicate that, for the study of the trapezoidal transition region, the performance of converter don’t seems to be compensatory only by changing the geometry of the trapezoidal area. However, for the semicircular transition region, it was possible to optimize a hydropneumatic power. The study of turbine effect indicates a geometry capable of converting the energy of the incident wave to the device, without obstructing the air flow in the chimney of de OWC, showing the relationship between the Constructal Design method and the wave climate in the definition of the dimensions that maximize the hydropneumatic power.

O princípio operacional do dispositivo de galgamento consiste de uma estrutura que utiliza uma rampa para direcionar as ondas incidentes para o reservatório. A água armazenada retorna para o oceano após a passagem por uma turbina que está acoplada a um gerador de energia elétrica. O presente trabalho propõe dois estudos numéricos a respeito de um conversor de energia das ondas do mar do tipo galgamento. Para ambos os casos, o objetivo do estudo é a aplicação do método Design Construtal na definição da melhor forma para a rampa de modo a maximizar a massa de água que entra no reservatório, conduzindo a uma maior geração de energia elétrica. O grau de liberdade b/B, isto é, a razão entre a base superior e a base inferior da rampa trapezoidal, foi otimizado, mantendo-se fixos a área total do tanque de ondas, a área da rampa e as características da onda. Para a análise numérica do princípio de funcionamento deste dispositivo foi empregado um domínio computacional tridimensional (3D), gerado através do software GAMBIT, onde o conversor é acoplado a um tanque de ondas regulares. A solução das equações de conservação e a equação do transporte da fração volumétrica foi realizada com o código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional FLUENT, que é baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). Aplica-se o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) no tratamento da interação água-ar. Para o primeiro estudo, as características da onda regular empregada estavam em escala de laboratório. Os resultados mostraram que houve uma razão ótima (b/B)o = 0.43, que maximiza a quantidade de água que entra no reservatório para o caso estudado. Para ambos os casos, a razão ótima foi encontrada para o extremo inferior do grau de liberdade, além dos resultados apontarem um aumento significativo na massa admitida no reservatório e, por consequente, um maior aproveitamento das ondas incidentes. / The operational principle of an overtopping device consists of a structure which utilizes a ramp to direct incident waves to the reservoir. The stored water returns to the ocean after passing through a turbine that is coupled to an electric generator. This work proposes two numerical studies of a WEC of sea waves of the type overtopping. In both cases, the objective of the study is the application of Constructal Design method to define the best geometry of the ramp which maximizes the mass of water entering the reservoir, leading to increase the generation of electricity. The degree of freedom b/B, that is, the ratio between the upper base and the lower base of the trapezoidal ramp, has been optimized, keeping fixed the total area of the wave tank, the area of the ramp and the wave characteristics. For the numerical analysis of the working principle of this device it was used a three-dimensional computational domain (3D) generated by GAMBIT software where the device is inserted to a tank of regular waves. The solution of conservation equations and equation of transport of the volumetric fraction was carried out with the Commercial Code of Computational Fluid Dynamics FLUENT, which is based on Finite Volume Method (FVM). It was applied the multiphase model Volume of Fluid (VOF) in the treatment of the interaction water-air. For the first study, the characteristics of the employed regular wave were on a laboratory scale. The results showed that there were an optimal ratio (b/B)o = 0.43, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. For the second study, the characteristics of the regular wave were employed at actual scale and the results showed that there was an optimum ratio (b/B)o = 0.38, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. In both cases, the optimum ratio is found for the extreme lower of freedom of degree and the results showed a significant increase in the mass allowed in the reservoir and, consequently, larger use of the incident waves.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a otimização da geometria de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica. O objetivo principal é, através da modelagem computacional de um dispositivo cujo principio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO) e do emprego de Constructal Design, maximizar a conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica. Essa técnica é baseada na Teoria Constructal. O aspecto inédito deste trabalho, em relação aos estudos disponíveis na literatura, é o fato de levar em conta o clima de ondas de uma dada região e, a partir disso, dimensionar o dispositivo de modo que ele tenha um desempenho otimizado. Para tanto, foi empregado o método Constructal Design, os graus de liberdade empregados são: H1/L (razão entre a altura e o comprimento da câmara CAO) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). A relação H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) é considerada um parâmetro fixo. Foram realizados estudos levando em conta uma onda em escala de laboratório e um espectro de ondas real. Foi também realizado um estudo sobre a influência da perda de carga da turbina através de uma restrição física. Para a solução numérica foi empregado um código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). A geometria e a geração a malha foi realizada no software GAMBIT®. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com o dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos mostram que é possível estabelecer uma razão de H1/L ótimo, conhecendo-se o clima de ondas, ou seja, o recomendável é que esta razão seja igual a quatro vezes a altura da onda dividido pelo comprimento da onda incidente. / The present work presents a two-dimensional numerical study about the geometric optimization of an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy. The main goal is, through computational modeling of a device whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC) and from employment Constructal Design, to maximize the conversion of energy of ocean waves into electricity. This technique is based on Constructal Theory. The inedited aspect of this work comparing to the available studies is that it takes into account the wave climate of a given region to design the device so that it achieves optimum performance. Constructal Design is employed varying the degrees of freedom H1/L (ratio between the height and length of OWC chamber) and H3 (lip submergence). While the relation H2/l (ratio between height and length of chimney) is kept fixed. Studies were performed considering a wave on a laboratory scale and a spectrum of real waves. Yet a study of the influence of the turbine pressure losses was performed using a physical constraint. For the numerical solution it is used the Computational Fluid Dynamic (CFD) commercial code FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The geometry and mesh generation was performed in GAMBIT ® software. The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The computational domain is represented by an OWC device coupled with the wave tank. The results show that it is possible to establish a relationship of H1 / L optimum, if the wave climate is know. It is recommended that this ratio be equal to four times the height of the wave divided by the length of the incident wave.

O presente trabalho tem como objetivo maximizar a potência hidropneumática convertida num dispositivo do tipo Coluna d'Água Oscilante (CAO). Para fazê-lo, o método Constructal Design é aplicado para aprimorar a geometria e a profundidade de submersão do dispositivo. No desenvolvimento do método Constructal são propostos e analisados três graus de liberdade: H1/L (razão entre a altura e comprimento da câmara do dispositivo CAO), H2/l (razão entre a altura da câmara e o comprimento da chaminé) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). As restrições do problema (parâmetros constantes) são a área da câmara A1 e a área total do dispositivo CAO A2. O domínio computacional consiste de um dispositivo CAO inserido num tanque que é submetido a ondas na escala real. A malha é desenvolvida no software Ansys Icem®. O código de Dinâmica dos Fluidos Computacional Ansys Fluent® é empregado para encontrar a solução numérica a qual é baseada no método dos Volumes Finitos. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é usado na interação das fases água-ar. Os resultados indicam que a potência hidropneumática máxima obtida é de 190 W para razões de H1/L, H2/l e H3 iguais a 0,135, 6,0 e 9,5 m respectivamente. Por outro lado, o menor valor obtido da potência hidropneumática é de quase 11 W, o que mostra a utilidade do método Constructal, para fornecer uma relação entre o clima de ondas de um lugar determinado e as dimensões ótimas do dispositivo CAO. / The present work aims to maximize the hydropneumatic power converted in an Oscillating Water Column (OWC) device. To do this, Constructal Design is applied to optimize its geometry and submergence. For the development of Constructal method, it has been proposed and analyzed three degrees of freedom: H1/ L (ratio between the height and length of OWC chamber), H2/l (ratio between height and length of chimney), and H3 (submergence). The problem constraints (fixed parameters) are total area of the OWC chamber A1 and total area of OWC device A2. The computational domain consists of an OWC inserted in a tank where waves in a real scale are generated. The mesh is developed in ANSYS ICEM®. The Computational Fluid Dynamics code FLUENT® is used to find the numerical solution which is based on Finite Volume Method (FVM). The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The results show that the maximum hydropneumatic power obtained was 190 W for H1/L, H2/l e H3 ratios equal to 0.135, 6.0 and 9.5 m respectively. In contrast, the smaller value obtained for the hydropneumatic power is almost 11 W. So, it shows the utility of Constructal Method which provides a relationship between the wave climate of a particular place and the optimal dimensions for the OWC device.

A conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica é uma alternativa para o problema da falta de combustíveis fósseis. Uma das possibilidades de aproveitamento é através de dispositivos cujo princípio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO). No presente trabalho o objetivo é, através da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, maximizar a potência hidropneumática de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar do tipo CAO. São analisados diferentes eixos da restrição física, no formato elíptico, que representa a turbina, e duas formas geométricas na região de transição entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO: trapezoidal e semicircular. Considerando um domínio bidimensional, as restrições para estes problemas são: Área da restrição elíptica (AR), Área total do dispositivo (AT) e razão entre a área da restrição elíptica e a área total (ϕn). Os graus de liberdade analisados são: a razão entre os comprimentos dos eixos da restrição elíptica (d1/d2) para o caso da restrição física da turbina, o ângulo de inclinação da parede (α) para o caso com região de transição trapezoidal, o raio (r) e H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) para o caso com região de transição semicircular. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com um dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos indicam que, para o estudo da região de transição trapezoidal o desempenho do conversor tem aproximadamente o mesmo desempenho para todas as geometrias estudadas. A região de transição semicircular, apresenta resultados para os quais foi possível otimizar a potência hidropneumática. O estudo da turbina indica que foi possível determinar uma geometria capaz de converter a energia da onda incidente ao dispositivo, sem que ocorresse a obstrução do escoamento de ar na chaminé do dispositivo CAO. Assim, mostra-se a relação entre o método Design Construtal e o clima de ondas na definição das dimensões que maximizam a potência hidropneumática. / The conversion of ocean’s wave energy into electrical energy is an alternative for the scarcity of fossil fuels. One of the possibilities of energy use is through devices, whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC). In this work the aim is, through computer modeling and the Constructal Design, to maximize hydropneumatic power of a power converter device type OWC. Different axes of physical constraint with elliptical shape, representing the effect of the turbine , are analyzed. Two geometric shapes in the transition region between the hydropneumatic chamber and the chimney OWC device, trapezoidal and semicircular, are also analyzed. Considering a two-dimensional domain the restrictions for this problem are: Elliptical restriction area (AR), Total area device (AT) and the ratio between the area of the elliptical restraint and the total area (ϕn). The considered degrees of freedom are: the ratio between the lengths of the axes (d1/d2) of the elliptical restraint, for the turbine’s physical constraint case, the inclination angle (α) of the wall for the trapezoidal transition case, and the radius (r) and H2/l (ratio between height and length of output chimney CAO) for the semicircular transition region case. For the numerical solution, a commercial code of computational fluid dynamics, FLUENT®, which is based on the Finite Volume Method (FVM), is employed. The multiphase model Volume of Fluid (VOF) is applied in the treatment of water-air interaction. The computational domain is represented by a wave tank with a fixed OWC device. The obtained results indicate that, for the study of the trapezoidal transition region, the performance of converter don’t seems to be compensatory only by changing the geometry of the trapezoidal area. However, for the semicircular transition region, it was possible to optimize a hydropneumatic power. The study of turbine effect indicates a geometry capable of converting the energy of the incident wave to the device, without obstructing the air flow in the chimney of de OWC, showing the relationship between the Constructal Design method and the wave climate in the definition of the dimensions that maximize the hydropneumatic power.

O princípio operacional do dispositivo de galgamento consiste de uma estrutura que utiliza uma rampa para direcionar as ondas incidentes para o reservatório. A água armazenada retorna para o oceano após a passagem por uma turbina que está acoplada a um gerador de energia elétrica. O presente trabalho propõe dois estudos numéricos a respeito de um conversor de energia das ondas do mar do tipo galgamento. Para ambos os casos, o objetivo do estudo é a aplicação do método Design Construtal na definição da melhor forma para a rampa de modo a maximizar a massa de água que entra no reservatório, conduzindo a uma maior geração de energia elétrica. O grau de liberdade b/B, isto é, a razão entre a base superior e a base inferior da rampa trapezoidal, foi otimizado, mantendo-se fixos a área total do tanque de ondas, a área da rampa e as características da onda. Para a análise numérica do princípio de funcionamento deste dispositivo foi empregado um domínio computacional tridimensional (3D), gerado através do software GAMBIT, onde o conversor é acoplado a um tanque de ondas regulares. A solução das equações de conservação e a equação do transporte da fração volumétrica foi realizada com o código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional FLUENT, que é baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). Aplica-se o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) no tratamento da interação água-ar. Para o primeiro estudo, as características da onda regular empregada estavam em escala de laboratório. Os resultados mostraram que houve uma razão ótima (b/B)o = 0.43, que maximiza a quantidade de água que entra no reservatório para o caso estudado. Para ambos os casos, a razão ótima foi encontrada para o extremo inferior do grau de liberdade, além dos resultados apontarem um aumento significativo na massa admitida no reservatório e, por consequente, um maior aproveitamento das ondas incidentes. / The operational principle of an overtopping device consists of a structure which utilizes a ramp to direct incident waves to the reservoir. The stored water returns to the ocean after passing through a turbine that is coupled to an electric generator. This work proposes two numerical studies of a WEC of sea waves of the type overtopping. In both cases, the objective of the study is the application of Constructal Design method to define the best geometry of the ramp which maximizes the mass of water entering the reservoir, leading to increase the generation of electricity. The degree of freedom b/B, that is, the ratio between the upper base and the lower base of the trapezoidal ramp, has been optimized, keeping fixed the total area of the wave tank, the area of the ramp and the wave characteristics. For the numerical analysis of the working principle of this device it was used a three-dimensional computational domain (3D) generated by GAMBIT software where the device is inserted to a tank of regular waves. The solution of conservation equations and equation of transport of the volumetric fraction was carried out with the Commercial Code of Computational Fluid Dynamics FLUENT, which is based on Finite Volume Method (FVM). It was applied the multiphase model Volume of Fluid (VOF) in the treatment of the interaction water-air. For the first study, the characteristics of the employed regular wave were on a laboratory scale. The results showed that there were an optimal ratio (b/B)o = 0.43, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. For the second study, the characteristics of the regular wave were employed at actual scale and the results showed that there was an optimum ratio (b/B)o = 0.38, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. In both cases, the optimum ratio is found for the extreme lower of freedom of degree and the results showed a significant increase in the mass allowed in the reservoir and, consequently, larger use of the incident waves.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a otimização da geometria de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica. O objetivo principal é, através da modelagem computacional de um dispositivo cujo principio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO) e do emprego de Constructal Design, maximizar a conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica. Essa técnica é baseada na Teoria Constructal. O aspecto inédito deste trabalho, em relação aos estudos disponíveis na literatura, é o fato de levar em conta o clima de ondas de uma dada região e, a partir disso, dimensionar o dispositivo de modo que ele tenha um desempenho otimizado. Para tanto, foi empregado o método Constructal Design, os graus de liberdade empregados são: H1/L (razão entre a altura e o comprimento da câmara CAO) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). A relação H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) é considerada um parâmetro fixo. Foram realizados estudos levando em conta uma onda em escala de laboratório e um espectro de ondas real. Foi também realizado um estudo sobre a influência da perda de carga da turbina através de uma restrição física. Para a solução numérica foi empregado um código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). A geometria e a geração a malha foi realizada no software GAMBIT®. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com o dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos mostram que é possível estabelecer uma razão de H1/L ótimo, conhecendo-se o clima de ondas, ou seja, o recomendável é que esta razão seja igual a quatro vezes a altura da onda dividido pelo comprimento da onda incidente. / The present work presents a two-dimensional numerical study about the geometric optimization of an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy. The main goal is, through computational modeling of a device whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC) and from employment Constructal Design, to maximize the conversion of energy of ocean waves into electricity. This technique is based on Constructal Theory. The inedited aspect of this work comparing to the available studies is that it takes into account the wave climate of a given region to design the device so that it achieves optimum performance. Constructal Design is employed varying the degrees of freedom H1/L (ratio between the height and length of OWC chamber) and H3 (lip submergence). While the relation H2/l (ratio between height and length of chimney) is kept fixed. Studies were performed considering a wave on a laboratory scale and a spectrum of real waves. Yet a study of the influence of the turbine pressure losses was performed using a physical constraint. For the numerical solution it is used the Computational Fluid Dynamic (CFD) commercial code FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The geometry and mesh generation was performed in GAMBIT ® software. The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The computational domain is represented by an OWC device coupled with the wave tank. The results show that it is possible to establish a relationship of H1 / L optimum, if the wave climate is know. It is recommended that this ratio be equal to four times the height of the wave divided by the length of the incident wave.