Análise numérica do efeito de bloqueio no escoamento sobre uma turbina Savonius em túnel aerodinâmico

Abstract

Este trabalho faz a análise da influência da razão de bloqueio de túneis aerodinâmicos sobre a avaliação do desempenho de uma turbina Savonius, através de simulações numéricas baseadas na dinâmica dos fluidos computacional. Utiliza-se para isso o software comercial de volumes finitos ANSYS® Fluent®. Túneis de vento de diferentes áreas de seção transversal são modelados como domínios de cálculo e as condições dos testes experimentais são reproduzidas como condições de contorno nas simulações. O escoamento é modelado como bidimensional, as equações de conservação são resolvidas com médias de Reynolds e adota-se para a modelagem da turbulência o modelo k-ω SST. Um estudo da qualidade das malhas geradas é feito empregando a metodologia GCI (Grid Convergence Index). O parâmetro escolhido como indicador do desempenho do rotor é o seu coeficiente de torque estático, que é calculado para cada configuração de túnel. A partir dos resultados obtidos, estima-se a razão de bloqueio limite de 1/8 para a utilização em testes experimentais, abaixo da qual a influência do efeito de bloqueio sobre os resultados não é perceptível e pode, portanto, ser desconsiderada. Comparações com o que é proposto por outros autores mostram que o limite estabelecido é relativamente alto e pouco conservador; explicações para esses resultados estão nas simplificações adotadas decorrentes da metodologia numérica empregada e na consideração do rotor como estacionário para as simulações.

This work presents the analysis of the wind tunnel blockage ratio influence on the performance evaluation of a Savonius turbine, realized through numerical simulations based on computational fluid dynamics. It is used for this purpose the finite-volume method implemented by the commercial software ANSYS® Fluent®. Wind tunnels of different cross-sectional areas are modeled as computational domains and the experimental conditions of the tests are reproduced as boundary conditions in the simulations. The flow is modeled as two-dimensional; the conservation equations are solved using Reynolds time-averaging, and it is adopted for modeling turbulence the k-ω SST model. A grid quality study is performed using the GCI methodology (Grid Convergence Index). The parameter chosen as indicator of the rotor’s performance is the static torque coefficient, calculated for each tunnel configuration. From the obtained results, it is estimated a ratio blocking threshold of 1/8 for usage in experimental tests, below which the blockage effect influence on the results is not noticeable and can therefore be disregarded. Comparisons with what is proposed by other authors show that the limit set is relatively high and little conservative; these results can be explained as due to simplifications adopted because of the numerical methodology used, and as due to the consideration of the rotor as stationary for the simulations.