Análise do desempenho de uma turbina savonius helicoidal com torção de 180º empregando simulação numérica

Abstract

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores.

This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.