Modelagem da estratificação térmica estável e efeito de esteira em turbinas eólicas offshore com modelo de disco atuador

Abstract

Este trabalho tem como objetivo aplicar condições de estratificação térmica estável da camada limite atmosférica em uma simulação computacional e avaliar sua influência no efeito de esteira sobre um aerogerador. A simulação foi realizada por Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) no software ANSYS Fluent, pelo método de solução das Equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS). A turbina eólica foi modelada a partir da Teoria do Disco Atuador, usando como referência um modelo de aerogerador de 5 MW disponibilizado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL). Os parâmetros geográficos utilizados se referem ao mar, em uma área afastada da costa do estado do Rio de Janeiro, para representar uma situação de produção eólica offshore. Foram feitas análises sobre o perfil de estratificação térmica da camada limite atmosférica nessa região de alto-mar, com o objetivo de identificar os parâmetros do perfil de vento termicamente estável e aplicá-los na simulação. Os resultados da simulação sem o disco atuador mostraram que, com o ajuste das equações de transporte do modelo de turbulência k − ε, o perfil estável se manteve ao longo de todo o domínio. A região onde houve o maior decaimento foi na saída do domínio, onde a energia cinética de turbulência decaiu para 89% do seu valor de entrada para o caso Quase Estável e 81% para o caso Estável. Após, nas simulações com disco atuador são exibidos os contornos em corte para a esteira e a energia cinética turbulenta, bem como a comparação do perfil de esteira ao longo do domínio para duas classificações de camada limite estável

This work aims to apply stable thermal stratification conditions of the atmospheric boundary layer in a computational simulation and evaluate its influence on the wake effect over a wind turbine. The simulation was performed by Computational Fluid Dynamics (CFD) in the ANSYS Fluent software, using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations (RANS) solution method. The wind turbine was modeled based on the Actuator Disk Theory, using as reference a 5 MW wind turbine model made available by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The geographic parameters used refer to the sea, in an area off the coast of the state of Rio de Janeiro, to represent an offshore wind production situation. Analyses were performed on the thermal stratification profile of the atmospheric boundary layer in this offshore region, aiming to identify the parameters of the thermally stable wind profile and apply them in the simulation. The results of the simulation without the actuator disk showed that, with the adjustment of the transport equations of the k − ε turbulence model, the stable profile was maintained throughout the domain. The region where the greatest decay occurred was at the domain outlet, where the turbulence kinetic energy decreased to 89% of its inlet value for the Quasi-Stable case and 81% for the Stable case. Afterwards, in the simulations with the actuator disk, the cross-sectional contours for the wake and the turbulent kinetic energy are displayed, as well as the comparison of the wake profile along the domain for the two classifications of stable boundary layers