O trabalho apresentado tem como finalidade analisar os sistemas de ancoragem utilizados na fabricação de End Fittings (EF), através de ensaios de dois sistemas de ancoragem alternativos aos utilizados atualmente na indústria. Além disso, é apresentado o desenvolvimento de um modelo de elementos finitos (MEF) que permite a reprodução do comportamento durante o processo de pullout da ancoragem com melhor desempenho. A caracterização dos materiais envolvidos no sistema de ancoragem foi necessária para o desenvolvimento do modelo numérico. Desta forma, o modelo numérico conta com as propriedades elásticas e plásticas dos materiais, fator que influencia o comportamento do sistema assim como os valores de carga necessários para o arrancamento. A comparação das ancoragens propostas foi realizada a partir dos valores de força obtidos por meio de um teste de arrancamento, chamado de pullout. Para isto, arames da armadura de tração de uma linha flowline de 2,5 polegadas foram conformados de acordo à geometria das ancoragens propostas e embebidas em resina epóxi tentando, desta forma, representar de forma simplificada parte do sistema de ancoragem utilizado nos EF. O desempenho das ancoragens foi analisado a partir das curvas de força em função do deslocamento, nas quais se analisou a força máxima de pullout (força máxima de arrancamento), o deslocamento para força máxima de pullout e o valor de rigidez do sistema. Finalmente depois de selecionada a ancoragem com melhor desempenho, os valores experimentais foram comparados com os valores obtidos do modelo numérico, mostrando uma boa aproximação com valores de erro relativo para a força máxima de pullout e rigidez de -1% e 8%, respectivamente. Por fim, propõe-se como trabalho futuro a continuação nos estudos experimentais de pullout com o objetivo de aprofundar o conhecimento sobre os parâmetros que mais influenciam nestes sistemas, através da utilização de novas geometrias e materiais, assim como a normalização do processo de preparação e ensaio das amostras. / The work aims to analyze the anchoring systems used in manufacturing of flexible pipe End Fittings (EF) through the tests of two alternative anchoring systems different of the currently used in the industry. In addition, it is presented the development of a finite element model (MEF) that allows to reproduce the behavior during the pullout process of the anchoring system with the better performance. The characterization of the materials involved in the anchoring system was necessary for the development of the numerical model. In this way, the numerical model include the elastic and plastic properties of materials, factor that influence the behavior of the system as well as the force values needed for the pullout. The comparison of the proposed anchoring systems was performed from the force values obtained through a pullout test. For this, the armor wires of a flowline flexible pipe with a bore of 2.5-inch were conformed according the geometry of the anchoring systems proposed and then were fixed in epoxy resin, trying in this way to represent a simplified form of the anchoring system used in EF. The performance of the anchoring systems was analyzed from the force-displacement curves. The maximum pullout force, the offset for maximum strength of pullout and the stiffness value of the system were used for the analysis. Finally, after selected the anchoring system with better performance, the experimental values were compared with the values obtained from the numerical model. The results showed a good approximation, with a relative error for the maximum pullout force and stiffness of -1% and 8% respectively. As proposal for future works, the author proposes to continue with the experimental studies of pullout in order to enhance the knowledge about the influential parameters in these systems, through the use of new geometries and materials, as well as the standardization of the test samples preparation.

O reparo em dutos defeituosos é previsto por normas e literatura, porém existe grande espaço para definição dos parâmetros ideais para aplicação prática e avaliação do desempenho destes reparos em fadiga. O presente trabalho tem por objetivo a definição dos parâmetros ideais para aplicação de reparos eficientes do tipo dupla calha sem solda circunferencial e com carregamento externo em escala real em dutos com defeitos de mossa com cava. O reparo é baseado na instalação de duas calhas concêntricas ao duto a ser reparado, preenchendo-se o defeito com resina e aplicando carga de compressão através de atuadores hidráulicos com correntes a fim de induzir tensões compressivas na região do defeito e, por fim, as calhas são unidas longitudinalmente pelo processo de soldagem. Para este trabalho, foi realizada uma modelagem numérica utilizando o método de elementos finitos de modo a simular a reprodução do defeito, ensaios de fadiga sem reparo, parâmetros para aplicação do reparo, ensaios de fadiga com reparo e, por fim, ensaio hidrostático. O procedimento proposto foi a reprodução do defeito, primeiramente o duto foi deformado com uma esfera metálica, de modo a formar uma mossa de profundidade igual a 6 % do diâmetro externo e, em seguida, a cava foi usinada com a utilização de um disco abrasivo. Após a produção do defeito, três amostras foram ensaiadas em fadiga, de modo a produzir uma amostra de referência sem reparo a ser comparada com os corpos de prova com reparo. O reparo dupla calha foi aplicado em duas amostras com defeito, sendo essas então submetidas a ensaios de fadiga. Esses ensaios indicaram que ambas as amostras resistiram a um número de ciclos correspondentes a 100 anos de vida em serviço. Por fim, as amostras reparadas após o ensaio de fadiga foram submetidas a ensaios hidrostáticos até a ruptura, a fim de avaliar a vida remanescente. Ambos os dutos romperam fora da região reparada, com uma pressão 2,1 %, menor que a pressão calculada analiticamente. Como principal resultado, foram obtidos parâmetros ideais para aplicação do reparo dupla calha em dutos com defeito tipo mossa com cava. Os resultados experimentais mostram convergência em relação aos dados do modelo numérico, provando que a modelagem por elementos finitos pode ser uma ferramenta útil no desenvolvimento deste tipo de trabalho. / Defective duct repairs are envisaged by norms and by the literature, yet there is enough space left to define ideal parameters for practical application and performance evaluation of these fatigue repairs. This work’s objective is to define the ideal parameters for the application of efficient repairs in double spouts without circumferential welding and real scale external loading in ducts with dent and gouge defects. The repair is based on the installation of two concentric spouts in the duct, filling the defect with resin and applying compression loading through hydraulic actuators with currents to induce compressive stresses in the defective area. Afterwards, the spouts are united lengthwise through the process of welding. To develop this work, we conducted a numerical modelling by using the finite element method to simulate the reproduction of the defect, as well as fatigue tests with no repairs, parameters for the application of repairs, fatigue tests with repairs, and finally a hydrostatic test. The proposed procedure was the reproduction of the defect. At first the duct was deformed with a metallic sphere, to form a dent whose depth was equal to 6 % of the external diameter and, subsequently, the gouge was machined with the help of an abrasive disk. Following the production of a defect, three samples were tested in fatigue to produce a reference sample without repair which would be compared to the samples with repairs. The double spout repair was applied in two samples with defects, which were then subjected to fatigue tests. These tests showed that both samples resisted to a number of cycles corresponding to a 100-year use lifespan. At last, the samples repaired after fatigue tests were subjected to hydrostatic tests until rupture, in order to evaluate their remaining lifespan. Both ducts ruptured outside of the repaired region, with a stress rate of 2.1 %, lower than the stress calculated analytically. The main result of this study was obtaining ideal parameters for the application of double spout repair in ducts with dents and gouge defects. The experimental results show convergence in relation to the numerical model data, proving that finite element modelling can be a useful tool when conducting this kind of work.

Lajes nervuradas modeladas computacionalmente são geralmente analisadas por metodologias simplificadas, tanto para a geometria da seção (convertendo em lajes maciças ou grelhas) como para as propriedades mecânicas dos materiais (regime elástico-linear). Estes estudos teóricos apresentam grandes diferenças quando comparados com ensaios experimentais, mesmo para baixos níveis de carregamento. Isto se deve principalmente pela não consideração da excentricidade entre os eixos da nervura e da capa, como também à simplificação do comportamento mecânico do concreto à tração. Modelos numéricos chamados realísticos consideram o efeito da excentricidade entre os eixos da capa e nervura da seção transversal. Pode-se, ainda, introduzir a não-linearidade física do concreto armado nestes modelos, obtendo resultados mais próximos do real. O objetivo deste trabalho é estabelecer um modelo numérico realístico, para a seção típica de laje nervurada, atendendo às indicações descritas acima. Para a consideração da excentricidade entre os eixos da capa e nervura empregam-se elementos de casca, em posição horizontal para a capa e vertical para a nervura. A não-linearidade física do concreto à tração é representada através do modelo de fissuração distribuída proposto por D’AVILA (2003). Para as análises não-lineares empregou-se o programa computacional de elementos finitos SAP2000 versão 16, onde os elementos de casca permitem discretizar o concreto armado em camadas, ao longo da espessura. Um bom desempenho do modelo numérico proposto foi verificado pela validação deste a partir de modelos experimentais, assim como da análise numérica de outros autores. Realizaram-se, por último, análises de algumas lajes nervuradas com solicitações de carregamentos excessivos, a fim de prever seus desempenhos frente a estados limites de flexão. Os resultados obtidos nestas análises mostraram, também, um bom desempenho do modelo proposto. / Waffle slab structures simulated by computational models are generally analyzed by simplified methods, both for section geometry (converting into solid slabs) and the material mechanical properties (linear elastic regime). The results obtained by such theoretical studies show large differences when compared to experimental tests, even at low loading levels. This is mainly due to non-consideration of the eccentricity between the rib and cover axes and simplification of the concrete tensile strength mechanical behavior. The so called realistic numerical models consider the effect of eccentricity between the axes of hood and ribs of the cross section. One may also introduce physical nonlinearity of reinforced concrete in these models, obtaining results closer to real. The objective of this work is to establish a realistic numerical model for the typical section of a waffle slab, considering the physical nonlinearity of concrete and its collaboration between cracks, by the smeared crack model proposed by D' AVILA (2003). The computational finite element program SAP2000 version 16 is used for the non-linear analysis. The shell element discretization enabled the heterogeneous characteristics of reinforced concrete to be considered through layers along the thickness. The numerical model was validated based on the analysis of experimentally tested slabs. Finally, some waffle slabs were numerically analyzed under a uniformly distributed and incrementally growing load. The proposed model was able to predict their overall behavior and some local aspects could also be observed.

Desde 1960, a cidade de Balneário Camboriú, localizada no litoral centro-norte do estado de Santa Catarina, vem sofrendo intensa urbanização de forma não planejada, resultando em problemas que apresentam um impacto negativo ao turismo, principalmente relacionados à superlotação no verão e ao sombreamento da praia no período da tarde, devido à grande quantidade de edifícios altos na beira mar. Buscando ampliar o espaço físico da orla, a Prefeitura Municipal de Balneário Camboriú está desenvolvendo o projeto de alimentação artificial da Praia Central do município, que prevê uma nova largura da faixa de areia de 100 m. Este trabalho descreve, através da análise dos processos físicos, os possíveis impactos advindos da implementação da obra de aterro hidráulico, utilizando o modelo numérico Delft3D. O trabalho de investigação foi separado em três tópicos: (1) propagação de ondas, (2) processos hidrodinâmicos e (3) variações morfológicas, em dois cenários: atual e posterior à alimentação artificial. Os resultados da modelagem de propagação de ondas demonstraram maior energia na porção norte da enseada, sendo a porção sul mais abrigada. Comparando os cenários observa-se uma diminuição na energia de onda em águas rasas devido à nova configuração da costa, principalmente na porção norte da enseada. Os resultados do modelo hidrodinâmico, mostraram que posteriormente a alimentação da praia, as correntes sofrem intensificação na nova zona de arrebentação de ondas, a qual se desenvolverá numa região em que, no cenário atual, as velocidades das correntes litorâneas são muito baixas. A análise dos potenciais impactos na morfologia litorânea demonstrou que as variações morfológicas ocorrerão devido à reorganização do ambiente diante da nova configuração batimétrica da enseada, sendo que a formação dos bancos longitudinais se deslocará em direção ao mar. Não foram observadas áreas de erosão entre o cenário atual e o cenário futuro, demonstrando que a enseada deverá se comportar como um sistema fechado. De modo geral a modelagem numérica demonstrou que os processos futuros reproduzirão aqueles que ocorrem no cenário atual, porém, estarão mais afastados, a cerca de 100 metros à frente, em direção ao mar. / Since 1960, Balneário Camboriú, located on the north-central coast of Santa Catarina, Brazil, has been suffering from an unplanned intense urbanization, resulting in negative impacts on tourism, mainly related to overcrowding during the summer and shading on the beach in the afternoon due to lots of tall buildings in the seafront. Aiming to enlarge the area available for recreational beach use, the city government of Balneário Camboriú is developing the nourishment project of the city's Central Beach, which provides a new sand stretch width of 100 m. This paper describes, through the analysis of physical processes, the possible impacts of the nourishment, using the numerical model Delft3D. The analysis distinguishes three steps: (1) wave propagation, (2) hydrodynamic processes, and (3) morphological variations, in two different scenarios: before and after the beach nourishment. The results of the wave propagation modeling shows the occurrence of greater energy in the northern portion of the bay, with a more sheltered southern portion. Comparing the scenarios it is observed a decrease in wave energy in shallow water due to the new configuration of the coast, especially in the northern part of the bay. Results from the hydrodynamic model indicate that after the beach nourishment the currents are intensified in the new waves surf zone, which will be developed in a region where, in the present scenario, the alongshore currents velocities are very low. The analysis of the potential impacts on coastal morphology showed that morphological changes will occur due to the reorganization of the place because of the new bay bathymetric configuration, since the longitudinal banks formation will move towards the sea. No erosion areas between the present and future scenario were observed, proving that the bay shall behave as a closed system. Overall the numerical modeling showed that future processes will reproduce those that occur in the present scenario, however the process will occur about 100 meters ahead, towards the sea.

Lajes nervuradas modeladas computacionalmente são geralmente analisadas por metodologias simplificadas, tanto para a geometria da seção (convertendo em lajes maciças ou grelhas) como para as propriedades mecânicas dos materiais (regime elástico-linear). Estes estudos teóricos apresentam grandes diferenças quando comparados com ensaios experimentais, mesmo para baixos níveis de carregamento. Isto se deve principalmente pela não consideração da excentricidade entre os eixos da nervura e da capa, como também à simplificação do comportamento mecânico do concreto à tração. Modelos numéricos chamados realísticos consideram o efeito da excentricidade entre os eixos da capa e nervura da seção transversal. Pode-se, ainda, introduzir a não-linearidade física do concreto armado nestes modelos, obtendo resultados mais próximos do real. O objetivo deste trabalho é estabelecer um modelo numérico realístico, para a seção típica de laje nervurada, atendendo às indicações descritas acima. Para a consideração da excentricidade entre os eixos da capa e nervura empregam-se elementos de casca, em posição horizontal para a capa e vertical para a nervura. A não-linearidade física do concreto à tração é representada através do modelo de fissuração distribuída proposto por D’AVILA (2003). Para as análises não-lineares empregou-se o programa computacional de elementos finitos SAP2000 versão 16, onde os elementos de casca permitem discretizar o concreto armado em camadas, ao longo da espessura. Um bom desempenho do modelo numérico proposto foi verificado pela validação deste a partir de modelos experimentais, assim como da análise numérica de outros autores. Realizaram-se, por último, análises de algumas lajes nervuradas com solicitações de carregamentos excessivos, a fim de prever seus desempenhos frente a estados limites de flexão. Os resultados obtidos nestas análises mostraram, também, um bom desempenho do modelo proposto. / Waffle slab structures simulated by computational models are generally analyzed by simplified methods, both for section geometry (converting into solid slabs) and the material mechanical properties (linear elastic regime). The results obtained by such theoretical studies show large differences when compared to experimental tests, even at low loading levels. This is mainly due to non-consideration of the eccentricity between the rib and cover axes and simplification of the concrete tensile strength mechanical behavior. The so called realistic numerical models consider the effect of eccentricity between the axes of hood and ribs of the cross section. One may also introduce physical nonlinearity of reinforced concrete in these models, obtaining results closer to real. The objective of this work is to establish a realistic numerical model for the typical section of a waffle slab, considering the physical nonlinearity of concrete and its collaboration between cracks, by the smeared crack model proposed by D' AVILA (2003). The computational finite element program SAP2000 version 16 is used for the non-linear analysis. The shell element discretization enabled the heterogeneous characteristics of reinforced concrete to be considered through layers along the thickness. The numerical model was validated based on the analysis of experimentally tested slabs. Finally, some waffle slabs were numerically analyzed under a uniformly distributed and incrementally growing load. The proposed model was able to predict their overall behavior and some local aspects could also be observed.

Desde 1960, a cidade de Balneário Camboriú, localizada no litoral centro-norte do estado de Santa Catarina, vem sofrendo intensa urbanização de forma não planejada, resultando em problemas que apresentam um impacto negativo ao turismo, principalmente relacionados à superlotação no verão e ao sombreamento da praia no período da tarde, devido à grande quantidade de edifícios altos na beira mar. Buscando ampliar o espaço físico da orla, a Prefeitura Municipal de Balneário Camboriú está desenvolvendo o projeto de alimentação artificial da Praia Central do município, que prevê uma nova largura da faixa de areia de 100 m. Este trabalho descreve, através da análise dos processos físicos, os possíveis impactos advindos da implementação da obra de aterro hidráulico, utilizando o modelo numérico Delft3D. O trabalho de investigação foi separado em três tópicos: (1) propagação de ondas, (2) processos hidrodinâmicos e (3) variações morfológicas, em dois cenários: atual e posterior à alimentação artificial. Os resultados da modelagem de propagação de ondas demonstraram maior energia na porção norte da enseada, sendo a porção sul mais abrigada. Comparando os cenários observa-se uma diminuição na energia de onda em águas rasas devido à nova configuração da costa, principalmente na porção norte da enseada. Os resultados do modelo hidrodinâmico, mostraram que posteriormente a alimentação da praia, as correntes sofrem intensificação na nova zona de arrebentação de ondas, a qual se desenvolverá numa região em que, no cenário atual, as velocidades das correntes litorâneas são muito baixas. A análise dos potenciais impactos na morfologia litorânea demonstrou que as variações morfológicas ocorrerão devido à reorganização do ambiente diante da nova configuração batimétrica da enseada, sendo que a formação dos bancos longitudinais se deslocará em direção ao mar. Não foram observadas áreas de erosão entre o cenário atual e o cenário futuro, demonstrando que a enseada deverá se comportar como um sistema fechado. De modo geral a modelagem numérica demonstrou que os processos futuros reproduzirão aqueles que ocorrem no cenário atual, porém, estarão mais afastados, a cerca de 100 metros à frente, em direção ao mar. / Since 1960, Balneário Camboriú, located on the north-central coast of Santa Catarina, Brazil, has been suffering from an unplanned intense urbanization, resulting in negative impacts on tourism, mainly related to overcrowding during the summer and shading on the beach in the afternoon due to lots of tall buildings in the seafront. Aiming to enlarge the area available for recreational beach use, the city government of Balneário Camboriú is developing the nourishment project of the city's Central Beach, which provides a new sand stretch width of 100 m. This paper describes, through the analysis of physical processes, the possible impacts of the nourishment, using the numerical model Delft3D. The analysis distinguishes three steps: (1) wave propagation, (2) hydrodynamic processes, and (3) morphological variations, in two different scenarios: before and after the beach nourishment. The results of the wave propagation modeling shows the occurrence of greater energy in the northern portion of the bay, with a more sheltered southern portion. Comparing the scenarios it is observed a decrease in wave energy in shallow water due to the new configuration of the coast, especially in the northern part of the bay. Results from the hydrodynamic model indicate that after the beach nourishment the currents are intensified in the new waves surf zone, which will be developed in a region where, in the present scenario, the alongshore currents velocities are very low. The analysis of the potential impacts on coastal morphology showed that morphological changes will occur due to the reorganization of the place because of the new bay bathymetric configuration, since the longitudinal banks formation will move towards the sea. No erosion areas between the present and future scenario were observed, proving that the bay shall behave as a closed system. Overall the numerical modeling showed that future processes will reproduce those that occur in the present scenario, however the process will occur about 100 meters ahead, towards the sea.

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T09:42:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_VicenteMoreira_M.pdf: 11336909 bytes, checksum: cec42244f36a4a343bfddabbb5e185cc (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Foi elaborado um modelo com simulação computacional de um sistema de refrigeração por adsorção, acionado por rejeito de calor oriundo de processos industriais, no caso, especificamente, proveniente de um protótipo pré-comercial existente de um equipamento gerador de eletricidade por célula combustível a hidrogênio produzido via reforma de etanol. Inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica sobre os mecanismos da adsorção, os modelos com suas variantes e aplicações, em seguida foi apresentada uma discussão sobre ciclos de refrigeração por adsorção e o balanço energético com base na primeira lei da termodinâmica. Com base nas referências bibliográficas, primeiro foi idealizado um equipamento um composto por dois reatores operando fora de fase, evaporador, condensador e válvulas para operação do sistema. Em seguida a este equipamento, foram agregados um recuperador de calor e acessórios na corrente de gases quentes e um reservatório de água gelada. Para todo o conjunto, foi elaborado um modelo matemático para simular numericamente a operação do equipamento, a qual é realizada por meio de rotinas computacionais elaboradas em Matlab®. O modelo em um primeiro momento foi validado com dados experimentais e numéricos obtidos na literatura para condições de operação que se aproximam da proposta do presente trabalho. Em seguida com o sistema completo, foram feitas simulações com dois pares adsorvente/adsorvato distintos, primeiro na forma de resfriamento por batelada e em seguida submetendo o sistema a varias de cargas térmicas contínuas. Os resultados das simulações mostram que cada par adsorvente/adsorvato requer uma faixa de temperatura específica, sendo que dentre os pares estudados, o melhor aproveitamento da energia disponível dá-se com o par Sílica-gel/água / Abstract: This work proposes a computational simulation model of an adsorption cooling system driven by waste heat from industrial processes, in particular from an existent pre-commercial prototype of an integrated ethanol reformer fuel cell system. Firstly, a literature review was carried out on adsorption mechanisms, their models and applications. Secondly, adsorption cooling cycles and energy balance from the first law of thermodynamics are discussed. Based on the literature review, an adsorption cooling system was modeled with two adsorbers working out of phase, an evaporator, a condenser and valves. The model was validated vis-à-vis experimental and numerical data from the literature. Subsequently a heat recover for the hot exhaust gases and a cold water reservoir were incorporated. In the model numerical simulations were carried out for two working pairs (silica gel/water and zeolite 13X/water) considering either batch cooling or steady heat load. For the whole equipment set, the mathematical model was numerically simulated on Matlab®. The results show that each working pair requires a specific temperature range for proper operation and the silica-gel/water working pair resulted in the best use of the available waste heat / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Among sources of renewable energy, development of tidal energy has traditionally been plagued by relatively high costs and limited availability of sites with sufficiently high tidal amplitudes or flow velocities. However, many recent technology developments and improvements, both in design (e.g. dynamic tidal power, tidal lagoons) and turbine technology (e.g. new axial turbines, crossflow turbines), showed that the economic and environmental costs may be brought down to competitive levels comparing to other conventional energy sources. It has long been identified that the Bay of Fundy is one of the world’s premier locations for the development of tidal power generating systems, since it has some of the world’s largest tidal ranges. Consequently, several proposals have been made in the recent years to find economical ways to harness the power of tides. Presently, there is considerable interest in installing tidal lagoons in the Bay of Fundy. The lagoon concept involves temporarily storing seawater behind an impoundment dike and generating power by gradually releasing the impounded seawater through conventional low-head hydroelectric turbines. A tidal lagoon will inherently modify the tides and tidal currents regime in the vicinity of the lagoon, and possibly induce effects that may be felt throughout the entire Bay of Fundy. The nature of these hydrodynamic impacts will likely depend on the size of the tidal lagoon, its location, and its method of operation. Any changes in the tidal hydrodynamics caused by a tidal lagoon may also impact on the transport of sediments throughout the region and upset ecosystems that are well adapted to existing conditions. The scale and character of the potential hydrodynamic impacts due to tidal lagoons operating in the Bay of Fundy have not been previously investigated. The present study endeavours to investigate these potential impacts to help the development of sustainable, science-based policies for the management and development of clean energy for future generations. After outlining fundamental aspects of tidal power projects taken in consideration in the Bay of Fundy, an analysis of present knowledge on tidal lagoons was conducted in order to provide a focus for subsequent investigations. Hydrodynamic modeling was used to quantify any of the potential hydrodynamic changes induced in the Bay of Fundy due to the presence of tidal lagoons. In the last part of the thesis, new relationships were derived in order to describe the amount of energy removed from tidal lagoons associated with its hydrodynamic impacts.

This study, which includes both experimental and numerical-modelling components, investigates the potentially dangerous conditions that can often occur when low-head dams (or weirs) are overtopped and ‘submerged’-type hydraulic jumps subsequently form downstream of them. The combination of high local turbulence levels, air entrainment, and strong surface currents associated with submerged jumps pose a significant risk to safety of boaters and swimmers. In this study, a wide range of flow regimes and different experimental conditions (i.e. crest length and downstream apron elevation) were considered. The experimental phase involved physical model testing to determine: (i) the hydraulic conditions that govern submerged jump formation, and (ii) the hydrodynamic characteristics of the submerged vortex. The numerical model, developed using OpenFOAM, was validated with the obtained experimental data. This research seeks to help develop improved guidelines for the design and safe operation of low-head dams. The experimental phase of the study involved physical model testing to determine: (i) the hydraulic conditions that govern submerged jump formation, and (ii) the hydrodynamic characteristics of the submerged vortex. The numerical modelling work involved using interFoam (OpenFOAM toolbox) for simulating the experimental results. InterFoam is an Eulerian 3-D solver for multiphase incompressible fluids that employs the Volume of Fluid approach (VOF) to capture the water-air interface. The developed numerical model was subsequently validated using the experimental data collected and processed by the author of this study. The range of tailwater depths associated with submerged hydraulic jump formation is dramatically reduced when a broad-crested weir is coupled with an elevated downstream apron, especially under high flow rate conditions. However sharp-crested weirs induced vortices which displayed reduced velocities and decreased spatial development, which were judged to be safer than broad crest lengths under the same discharge conditions. The classical formulation for the degree of submergence was not explicative when used to evaluate “how submerged the vortex was”. Consequently, a new normalized formulation which compares the local tailwater depth to the lower and upper tailwater limits for the submerged hydraulic jump is proposed. The numerical model developed for this study demonstrated the existence of residual turbulent kinetic energy at downstream sections located within the vortex’s extension, at instants coinciding with the presence of a fully formed roller. This turbulent energy is arguably responsible for the stationary nature of the vortex under constant flow conditions. Residual vertical and horizontal velocities at points located within the vortex’s domain are indicative of the existence of the free surface current.

The tidal current energy resource is challenging to assess with accuracy and precision. An accepted standard methodology is lacking, which in turn perpetuates uncertainty and hinders the industry’s development. Technical Committee 114 of the International Electro-technical Commission (IEC-TC-114) is working to develop a standard for emerging tidal energy conversion systems. The draft standard prescribes methods for determining, objectively and reliably, the scale and character of tidal current energy resources at a site. The IEC-TC-114 draft standard for tidal energy resource assessment and characterisation has not yet been tested in a real world case study. Hence, it is not yet known whether the proposed methods will yield the desired outcome. This research has adopted the Fundy Ocean Research Center for Energy (FORCE) project in Minas Passage, Nova Scotia, for pilot application of the draft standard on tidal current resource assessment. The Bay of Fundy, located on the Atlantic coast of North America between the Canadian provinces of New Brunswick and Nova Scotia, is known for having the highest tidal range in the world and has long been recognised as an ideal stage for tidal energy development. The thesis is presented in three main parts. Firstly, the latest peer-reviewed scientific literature is summarised and the standard is reviewed in view of lessons learned. The aim of this exercise is to establish a scientific basis for and to develop suggestions towards improving and extending future revisions of the standard. Secondly, a comprehensive assessment of the tidal current energy resource at the FORCE project site is conducted in a manner that is consistent with IEC-TC-114 protocol based on available measurements from static current profiler surveys and a two-dimensional hydrodynamic model of the upper Bay of Fundy developed for this study. Thirdly, a sensitivity analysis is performed to determine the main sources of error and uncertainty affecting resource assessment, a topic which has yet to be addressed in the literature.