Journal of Ocean Engineering and Marine Energy

Tidal energy has seen a surge of interest in recent years with several companies developing technology to harness the power of the world’s oceans where the operational capacity in Europe was over 11 MW in 2020. One such developer is the partnership of SCHOTTEL Hydro (Germany) and Sustainable Marine (UK) who have developed a scalable multi-turbine device equipped with 70 kW turbines and capable of operating in arrays at sites around the world. The technology to harness tidal energy is still at a relatively early stage of development; hence, de-risking of component parts plays a vital role on the road to commercialisation. Despite this, the number of tidal energy blades undergoing test programmes remains small. Two different rotor diameters have been developed for the aforementioned device such that it can be optimised for sites of varying potential. In this paper, a blade from each of the 4.0 m and 6.3 m diameter devices was tested for their responses in natural frequency, static loading and fatigue loading under test standards IEC 62600-3:2020 and DNVGL-ST-0164. Testing saw the survival of a blade in fatigue at a lifetime-equivalent load and the generation of natural frequency, strain and displacement results for both blades. Data generated from the testing as a whole will contribute to the modelling and validation of future tidal blades.

This paper presents predictions of run-up scale on coastal structures using a multiple linear regression equation. The Wonnapha Beach seawall in Chon Buri, Thailand, is used as the study site. Instead of exactly measuring wave run-up on structures, run-up levels were observed and categorized into five scales (from 0 to 4). Run-up scales, together with the data of tidal levels, offshore waves, and winds, are analyzed using multiple linear regression. A new parameter, “effective wind speed,” is introduced by merging wind direction and speed into one parameter explaining more physical meaning of wind influences on wave run-up. The regression formula can reproduce observed run-up scales with an $$R_{{}}^{2}$$ of 0.589 and the mean absolute error of 0.62. For this study, the predictive formula can be applied as a real warning for the near future since simultaneous data is used; however, applying this approach while using forecasted input data would be a useful and timely warning tool for alerting people who live near coastal defenses about potentially hazardous run-up conditions.

Waves generated by winds can transport a large amount of energy across the oceans with little loss. Many countries are currently developing promising technologies to harvest this energy by converting it into electricity. Studies dedicated to wave potential assessment are of primary importance for spotting the suitable locations to install wave energy converters as well as for designing wave energy devices. This paper presents an analysis of wave energy potential near Essaouira coast in Morocco, through the use of ocean wave hindcast data and high-resolution numerical modeling. The wave data were extracted from the European Integrated Ocean Waves for Geophysical and other Applications (IOWAGA) dataset for a period of 27 years. Results showed that the annual average power is about 23.72 kW/m which is equivalent to annual wave energy of 199.12 MWh/m. It was also found that the bulk of the wave energy is generated by waves with significant height between 1.5 and 3.0 m and mean wave energy periods between 10 and 12.5 s. The wave energy in the studied area exhibits a noticeable variability at different time scales. The numerical simulations enabled to identify three important locations suitable for wave energy exploitation. Among these potential sites, the one situated between Essaouira and Cape Sim presents many advantages and appears to be the most favorable.

Chúng tôi trình bày kết quả về sự hỗn loạn từ hai chiến dịch đo đạc dòng chảy bằng phương pháp đo vận tốc Doppler âm thanh được thực hiện tại Ramsay Sound tại hai vị trí cách nhau 50 m. Các phép đo đầu tiên được thực hiện vào năm 2009 và các phép đo thứ hai vào năm 2011; cả hai đều bao gồm một chu kỳ xuân - thu hoàn chỉnh. Trong bài báo này, chúng tôi xác định sự hỗn loạn thông qua mật độ năng lượng động học hỗn loạn (TKE) và chiều dài quy mô tích hợp, cùng với mối quan hệ của chúng với nhau và với các tham số dòng chảy trung bình. Chúng tôi cũng mô tả ngắn gọn các phương pháp được sử dụng để tính toán các tham số này. Chúng tôi phát hiện ra rằng có một sự bất đối xứng giữa triều lên và triều xuống trong dữ liệu từ cả hai chiến dịch đo đạc, nhưng mặc dù các triều lên tại cả hai vị trí tương tự nhau, các triều xuống trong dữ liệu năm 2011 có mức năng lượng cao hơn nhiều so với dữ liệu năm 2009. Chúng tôi suy đoán rằng điều này có thể do sự khác biệt trong các đặc điểm đáy biển giữa hai vị trí đo. Phân tích kích thước được sử dụng để điều tra cách TKE tỉ lệ với vận tốc dòng chảy trung bình; chúng tôi nhận thấy rằng tỉ lệ bình phương như mong đợi không được dữ liệu hỗ trợ tốt tại cả hai vị trí đo đạc. Do đó, các dòng chảy có sự hỗn loạn năng lượng cao hơn có thể trông ít hỗn loạn hơn nếu được đánh giá bằng cường độ hỗn loạn. Chúng tôi điều tra mối tương quan giữa chiều dài quy mô và mật độ TKE và phát hiện rằng nó rất đặc thù cho từng vị trí: không nên giả định rằng đối với một vị trí đo lường nhất định, sự hỗn loạn có năng lượng cao được liên kết với các cấu trúc dòng chảy lớn hơn hoặc ngược lại.

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá các nguồn năng lượng gió ở các vùng ven biển và ngoài khơi của Vịnh Ba Tư và Biển Oman. Một loạt các mô phỏng bằng mô hình Nghiên cứu Thời tiết và Dự báo (WRF) và dữ liệu vệ tinh Được Chéo Hiệu Chỉnh Đa Nền Tảng (CCMP) đã được sử dụng và so sánh với dữ liệu quan sát trong giai đoạn từ năm 2013 đến 2017. Kết quả chỉ ra rằng mô hình WRF đã đánh giá quá cao ở hầu hết các trạm và mô hình CCMP đã đánh giá thấp tốc độ gió trong điều kiện gió mạnh tương đối. Tốc độ gió tối đa và tối thiểu trong Vịnh Ba Tư xảy ra ở phía đông nam và phía tây bắc, tương ứng. Tốc độ gió tối đa trên Biển Oman xảy ra ở phía đông bắc, trung tâm và phía đông nam của nó. Năng lượng gió tối đa có thể khai thác được từ Biển Oman, đặc biệt là ở các vùng phía đông và cũng, ở một số vùng ven biển của Vương quốc Oman.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được áp dụng rộng rãi để mô hình hóa sự thất bại của băng nhưng gặp phải vấn đề biến dạng lưới, đặc biệt là khi có sự tham gia của nứt hoặc phân mảnh. Phương pháp động lực học hạt mịn (SPH) có thể tránh được các vấn đề thuộc loại này và đã được áp dụng thành công để mô phỏng sự nứt của vật rắn. Tuy nhiên, chi phí tính toán liên quan gia tăng đáng kể đối với các mô phỏng SPH. Việc giảm thời gian tính toán mà không làm giảm đáng kể độ chính xác là điều rất quan trọng để SPH được coi là một công cụ số hiệu quả trong việc mô phỏng sự thất bại. Do đó, trọng tâm của bài viết này là điều tra khả năng của các phương pháp phân rã miền, tỷ lệ khối lượng, tỷ lệ thời gian và kỹ thuật SPH-FEM kết hợp để cải thiện yêu cầu tài nguyên tính toán. Độ chính xác, hiệu quả và giới hạn của từng phương pháp này đã được thảo luận và kết quả được so sánh với giải pháp phân tích và các thí nghiệm uốn dầm bốn điểm. Các kết quả thu được từ các so sánh cho thấy rằng phân rã miền, tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ thời gian quy trình có thể được sử dụng một cách thích hợp cho các trường hợp tĩnh gần để giảm yêu cầu CPU miễn là năng lượng động được theo dõi liên tục để đảm bảo rằng hiệu ứng quán tính là không đáng kể. Hơn nữa, vì thời gian tính toán chủ yếu phụ thuộc vào số lượng hạt rời trong một mô phỏng, phương pháp SPH-FEM kết hợp được xác định là một lựa chọn khả thi để giảm thời gian mô phỏng và những kết quả từ các mô phỏng kết hợp như vậy dường như đồng ý tốt với dữ liệu thí nghiệm đã công bố. Nghiên cứu này cho thấy rằng các phương pháp được đề xuất không chỉ có khả năng mô phỏng các cơ chế thất bại được quan sát trong các cuộc điều tra thực nghiệm mà còn giảm yêu cầu tài nguyên tính toán liên quan đến các mô phỏng SPH thuần túy, mà không có sự giảm đáng kể trong độ chính xác và tính ổn định của số.

Hành vi phi tuyến của các bộ chuyển đổi năng lượng sóng trong chế độ sản xuất điện có thể có liên quan tùy thuộc vào trạng thái biển, hình dạng hoặc chuyển động của thiết bị. Do đó, các mô hình toán học được sử dụng để mô phỏng hành vi của thiết bị có thể cần bao gồm các hiệu ứng phi tuyến. Bài báo này nghiên cứu tác động của việc mô hình hóa các lực Froude–Krylov phi tuyến bằng cách tính toán áp lực trên bề mặt ướt tức thì và sử dụng lý thuyết sóng phi tuyến (lý thuyết Rienecker–Fenton) bao gồm các điều kiện biên phi tuyến của mặt nước tự do, nhằm đồng nhất hơn với việc tính toán các lực Froude–Krylov phi tuyến. Đầu tiên, các phi tuyến hình học được nghiên cứu thông qua việc xem xét hai bộ hấp thụ điểm nhô lên với các đặc điểm hình học khác nhau: một hình trụ bị cắt cụt với diện tích mặt cắt ngang (CSA) không đổi và một hình cầu với CSA không đồng nhất. Sau đó, các phi tuyến liên quan đến động lực học của thân máy được nghiên cứu bằng cách áp dụng một chiến lược điều khiển giữ, nổi bật hiệu ứng của động lực học phi tuyến, cho thấy sự cần thiết phải xem xét các mô hình WEC phi tuyến như là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển dựa trên mô hình. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất của một chiến lược giữ thời gian cố định tiêu chuẩn giảm đáng kể khi áp dụng động lực học phi tuyến, do đó chiến lược giữ thời gian cố định đã được điều chỉnh bằng cách thực hiện chiến lược giữ thích ứng. Tác động của sức Froude–Krylov phi tuyến được chứng minh là thấp đối với các thiết bị có CSA không đổi, nhưng đáng kể đối với các thiết bị có CSA biến động.

Do tính thuận tiện trong tính toán, các mô hình toán học tuyến tính cho các bộ chuyển đổi năng lượng sóng thường được sử dụng. Việc đưa vào các phi tuyến có thể cải thiện độ chính xác của kết quả, nhưng thường với cái giá là gánh nặng tính toán và độ phức tạp bổ sung, điều này chỉ có thể được biện minh nếu các phi tuyến là đáng kể. Một trong những nguồn phi tuyến trong tương tác chất lỏng-cơ thể chính là chính trường sóng. Có nhiều mô hình sóng khác nhau, trong đó có lý thuyết tuyến tính Airy, phương pháp kéo dài Wheeler, phương pháp Rienecker–Fenton phi tuyến, và các phương pháp phổ bậc cao, tất cả đều đạt được một sự thỏa hiệp khác nhau giữa độ chính xác và độ phức tạp. Ảnh hưởng của độ chính xác của các lý thuyết sóng như vậy mạnh mẽ phụ thuộc vào thiết bị cụ thể (nguyên lý hoạt động, khu vực sản xuất năng lượng hoặc chế độ sống sót), và địa điểm lắp đặt (độ sâu nước, tần suất của mỗi trạng thái biển trong biểu đồ phân tán của địa điểm lắp đặt). Bài báo này đánh giá hiệu suất của các đại diện trường sóng khác nhau, đầu tiên là theo nghĩa tuyệt đối và thứ hai là liên quan đến các phép tính lực Froude–Krylov phi tuyến liên quan cho các thiết bị năng lượng sóng khác nhau, trong các trạng thái biển đều đặn và không đều. Kết quả cho thấy rằng phương pháp kéo dài Wheeler mang lại sự thỏa hiệp tốt giữa độ chính xác và độ phức tạp cho các bộ chuyển đổi năng lượng sóng hoạt động trong khu vực sản xuất năng lượng.