Modelagem de camada limite atmosférica termicamente estratificada via ansys fluent® para aplicação em análise do potencial eólico offshore

Abstract

Projetos de parques eólicos offshore tem se tornado uma opção cada vez mais viável para o abastecimento da demanda por energia elétrica de forma sustentável. Nesse contexto, o desenvolvimento de sistemas computacionais e metodologias capazes de estimar com maior precisão o potencial de geração dessa fonte de energia se mostra necessário. O aumento da capacidade de processamento computacional tem permitido que modelos mais robustos sejam competitivos economicamente por trazerem resultados mais precisos em tempo aceitável. Este trabalho aprofunda a metodologia de modelagem da Camada Limite Atmosférica (CLA) para aplicação em análise de potencial eólico offshore e compara as características da CLA nas condições instável, estável e neutra a fim de dimensionar a importância de se considerar efeitos térmicos na análise de potencial eólico desses locais. Os resultados das simulações numéricas do problema empregando a formulação RANS com o modelo de turbulência k-𝜖 no software ANSYS Fluent® são comparados com perfis verticais extrapolados pela Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov (MOST) a partir de dados públicos provenientes da plataforma FINO-3. Verificou-se que os perfis MOST apresentam boa adequação aos dados medidos em campo no caso de CLA instável e CLA neutra; entretanto, o perfil de temperatura no caso da CLA estável é superestimado em 0,8 °C. O modelo de CFD empregado nas simulações preservou satisfatoriamente os perfis de velocidade e temperatura nas três condições de estabilidade analisadas nas alturas de interesse para a energia eólica. Constatou-se que a não consideração dos efeitos térmicos poderia superestimar a produção de energia elétrica em 53,2% em condições de CLA instável e subestimar essa produção em 75,4% em condições de CLA estável. O trabalho contribuiu para o melhor entendimento dos efeitos térmicos no escoamento da CLA e mostrou a importância de se levar em conta esses efeitos na análise de potencial eólico offshore.

Offshore wind farm projects have become an increasingly viable option for supplying demand for electricity in a sustainable way. In this context, the development of computational systems and methodologies capable of estimating with greater precision the generation potential of this energy source is necessary. Increased computational processing capacity has allowed more robust models to be economically competitive because they bring more accurate results in acceptable time. This work deepens the Atmospheric Boundary Layer (ABL) modeling methodology for offshore wind resource assessment application and compares the ABL characteristics in unstable, stable, and neutral conditions to dimension the importance of considering thermal effects in the wind resource assessment of these sites. The results of the numerical simulations of the problem using RANS formulation with the k-𝜖 turbulence model in the ANSYS Fluent® software are compared with vertical profiles extrapolated by the Monin-Obukhov Similarity Theory (MOST) from public data from the FINO-3 platform. It was found that the MOST profiles have a good suitability for the field-measured data in the case of unstable ABL and neutral ABL; however, the temperature profile in the case of stable ABL is overestimated at 0,8 °C. The CFD model used in the simulations satisfactorily preserved the velocity and temperature profiles in the three stability conditions analyzed at the heights of interest for wind energy. It was found that the non-consideration of thermal effects could overestimate the production of electricity in 53,2% under unstable ABL conditions and underestimate this production in 75,4% under stable ABL conditions. This work contributed to a better understanding of the thermal effects on an ABL flow and showed the importance of taking these effects into account in the offshore wind resource assessment.