تحقيق حاسوبي في الأداء الهيدروديناميكي لمحوّل طاقة موجي من نوع لوح مغمور عموديًا تحت فتحات نسبية متغيرة

لماذا يمكن للموجات أن تزوّد مستقبلنا بالطاقة

تحمل موجات المحيط كمية هائلة من الطاقة النظيفة، لكن معظم الأجهزة التي تحاول حصادها تكون معقدة ومكلفة. تدرس هذه الورقة فكرة بسيطة مدهشة: لوح رأسي رقيق مخفي تحت سطح البحر يعيد تشكيل تدفق المياه بحيث يمكنه تشغيل توربين بكفاءة أكبر. من خلال فحص كيفية تفاعل الموجات مع هذا اللوح ومع قاع بحر مُشكّل تحته، يستكشف الباحثون طريقة جديدة لاستخراج طاقة أكبر من كل موجة تمر.

لوح مخفي تحت الأمواج

الجهاز المركزي في هذا العمل هو لوح رأسي رقيق ساكن مغمور موضوع مباشرة تحت سطح الماء. الموجات التي تقترب من اللوح تنعكس جزئيًا وتجبر جزئيًا على التسارع عندما تضيق أثناء مرورها عبر فتحة بين اللوح وقاع البحر. في الاتجاه السفلي، يمكن لهذا التدفق الأسرع أن يدير توربينًا محوريًا، شبيهًا في المبدأ بعجلة رياح صغيرة تحت الماء. السؤال التصميمي الأساسي هو كم يجب أن تكون حجم تلك الفتحة، وكيف يؤثر شكل قاع البحر تحت اللوح على كمية الطاقة المفيدة التي تحوّل إلى مياه متحركة بسرعة.

بناء حوض أمواج رقمي

بدلًا من التجارب في البحر، بنى الفريق نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً لحوض أمواج باستخدام برنامج ANSYS Fluent. قاموا بمحاكاة طبقتين من السائل، الهواء أعلاه والماء أدناه، وولدوا موجات واقعية في أحد طرفي الحوض وامتصوها في الطرف الآخر لتجنب الانعكاسات غير المرغوبة. ضمن هذا الحوض الرقمي وضعوا اللوح المغمور، أحيانًا فوق قاع مستوٍ وأحيانًا فوق قاع مرفوع على شكل شبه منحرف خلق ممرًا مضيقًا تحت اللوح. من خلال تتبّع سطح الماء وسرعة التدفق حول اللوح، استطاعوا تقدير مقدار قدرة الموج الواردة التي يمكن تحويلها إلى طاقة تدفق مفيدة للتوربين.

اختبار فتحات وقواع مختلفة

غيّر الباحثون مكوّنين رئيسيين: ارتفاع الفجوة تحت اللوح، المسماة الفتحة النسبية، وشدة الموجات المعبر عنها بارتفاعها وفترتها. كما مقارنوا بين قيعان مسطحة وغير متساوية بتغيير ارتفاع هيكل شبه المنحرف تحت اللوح. أظهرت محاكياتهم أنه عندما تتفاعل الموجات مع قاع مُشكّل، تتجمع المياه وتتسارع تحت اللوح مكوّنة نفاثات قوية وأنماط دوامية تحمل طاقة حركية أكبر. كان هذا التأثير أضعف بكثير فوق قاع مستوٍ، حيث ظل التدفق أكثر انتظامًا وأقل طاقة.

إيجاد نقطة التوازن بين التدفق والكفاءة

من خلال فحص سرعة التدفق تحت اللوح لمجموعات كثيرة من ارتفاعات وفترات الموج، حدّد الفريق ظروفًا حيث كانت سرعة المياه وبالتالي الطاقة المحتملة في أقصاها. وجدوا أن كلًا من حدة الموجات وحجم الفتحة مهمان. بالنسبة للموجات ذات الانحدار النسبي الأكبر، بلغت سرعة التدفق المحوري ذروتها عند فترة موجية محددة حوالي 1.87 ثانية. والأهم من ذلك، أن فتحة نسبية بقيمة 50 بالمئة أنتجت أفضل كفاءة هيدروديناميكية، أي أكبر نصيب من طاقة الموج حوّل إلى تدفق سريع جاهز للتوربين. مع هذه الفتحة وقاع على شكل شبه منحرف، تفوّق الجهاز بوضوح على حالة القاع المسطح وحجوم الفتحات الأخرى.

ما الذي تعنيه هذه النتائج لطاقة الموج

ببساطة، تظهر هذه الدراسة أن تغييرًا متواضعًا في الهندسة تحت الماء يمكن أن يعزز بشكل كبير أداء جهاز طاقة موجي. يمكن للوح رقيق مغمور مقترن بفتحة مُختارة بعناية وقاع مُشكّل أن يركّز طاقة الموج في نفاث مائي قوي لتوربين محوري. تشير النتائج إلى أن ارتفاع فتحة نسبية بنسبة 50 بالمئة، مع ظروف موجية معينة، يوفّر أفضل توازن بين السماح بمرور الماء وضغطه بما يكفي لتسريعه. ومع أن المحيطات الحقيقية أكثر تعقيدًا من حوض أمواج رقمي، تمنح هذه النتائج المصممين نقطة انطلاق واضحة لبناء محوّلات طاقة موجية مدمجة وفعالة وربما أرخص تتناسب أفضل مع شكل قاع البحر الطبيعي.

الاستشهاد: Yadav, S.S., Roy, S. & Rathore, P.K.S. Computational investigation on the hydrodynamic performance of a vertically submerged plate-type wave energy converter under variable relative openings. Sci Rep 16, 14854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38433-7

الكلمات المفتاحية: طاقة الموج, الطاقة المتجددة من المحيط, محول لوح مغمور, طبوغرافيا قاع البحر, ديناميكا الموائع الحاسوبية