Análise numérica do efeito da arfagem no desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica Darrieus offshore

Abstract

Dotada de três plataformas continentais de reconhecida qualidade eólica, a costa brasileira apresenta o maior potencial eólico offshore dentre os mercados emergentes. O desafio, no entanto, vem pelas correntes oceânicas e pelo comportamento dos ventos, onde os movimentos resultantes destes fenômenos naturais expõem turbinas eólicas a condições físicas e mecânicas diferentes daquelas percebidas por suas contemporâneas onshore. Este é o caso dos movimentos de plataforma, que afetam a aerodinâmica do rotor, ao passo que a mesma variação de forças aerodinâmicas no rotor influencia a plataforma, ou seja: o acoplamento entre hidrodinâmica e aerodinâmica, inerente ao ambiente offshore. Neste contexto, turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) figuram como tecnologias alternativas e atrativas, devido sua geometria e condição de operação, apresentando centro de gravidade mais baixo e um rotor apropriado à diferentes direções dos ventos; reduzindo os efeitos dos movimentos de plataforma sobre a aerodinâmica do rotor, e vice-versa. Contudo, é necessário compreender o conjunto complexo da dinâmica que envolve a operação das TEEVs offshore, para correta avaliação de sua viabilidade técnica e econômica. Dentre os diferentes movimentos de plataforma percebidos por turbinas eólicas offshore, tem-se o movimento de pitch ou arfagem, que consiste da inclinação da turbina para frente e para trás. A relevância deste movimento no estudo de turbinas eólicas offshore é percebido através do volume de trabalhos numéricos e experimentais disponibilizados na literatura, onde resultados identificam alterações na esteira de turbulência do rotor, bem como flutuações de torque e potência. Assim, reconhecendo a importância do tema, o presente trabalho propõe a realização de estudo numérico para simulação do comportamento de uma turbina Darrieus troposkein de pequeno porte, sob efeito do movimento de arfagem, em regime transiente, para avaliação de seu desempenho aerodinâmico em termos de torque e potência. Aplica-se o Método dos Volumes Finitos, resolvendo as equações da continuidade e de NavierStokes com médias de Reynolds (U-RANS), juntamente com modelo de turbulência k-ω SST. Os efeitos da arfagem são avaliados com o rotor da turbina em operação, em duas posições fixas: vertical (0°) e com inclinação para trás (15°). A avaliação da metodologia computacional empregada se dá comparando os valores de torque e potência obtidos numericamente com resultados de estudos experimentais de referência. Apresenta-se, ainda, uma discussão acerca da atuação do estol dinâmico nas pás do rotor, observando seu comportamento ao longo das regiões upwind e downwind, bem como uma análise do comportamento da esteira aerodinâmica da turbina, avaliando a distribuição dos perfis de velocidade, da vorticidade e da intensidade de turbulência, através de pontos de medição distribuídos ao longo da altura e comprimento da esteira. Os resultados das simulações numéricas apontam uma redução de 3,2% no desempenho do rotor inclinado, com a avaliação da esteira aerodinâmica da turbina eólica evidenciando a região intermediária da esteira como sendo a mais afetada pela inclinação do rotor, com valores para magnitude da velocidade, vorticidade e da intensidade da turbulência tendendo aos valores iniciais, do escoamento não perturbado, após percorrida uma distância entre 5 a 10 diâmetros de rotor da turbina eólica.

With three continental shelves of recognized wind quality, the Brazilian coast represents the greatest offshore wind potential among emerging markets. The challenge, however, comes from ocean currents and offshore wind behavior, where the movements resulting from these natural phenomena expose wind turbines to unique physical and mechanical conditions that differs from those perceived by their onshore predecessors. This is the case of platform movements, which affect the aerodynamics of the rotor, while the same variation of aerodynamic forces on the rotor influences the platform, i.e.: the coupling between hydrodynamics and aerodynamics, inherent to the offshore environment. In this scenario, vertical-axis wind turbines (VAWTs) are attractive alternative technologies, due to their geometry and operating conditions, featuring a lower center of gravity and a rotor that operates independently of the wind direction; reducing the effects of platform movements on rotor aerodynamics, and vice versa. However, it is necessary to understand the complex dynamics involved in the operation of offshore VAWTs in order to correctly assess their technical and economic feasibility. Among the different platform movements perceived by offshore wind turbines, there is the pitching movement, which consists of the turbine tilting forward and backward. The relevance of this movement in the analysis of offshore wind turbines is perceived by the amount of numerical and experimental studies available in the literature, where results identify changes in the rotor turbulence wake, as well as torque and power fluctuations. Thus, recognizing the importance of the theme, the present work aims to carry out a numerical investigation focused on the transient simulation of the behavior of a small Darrieus troposkein turbine, under the effect of pitching motion, to evaluate its aerodynamic performance in terms of torque and power. The Finite Volume Method is applied, solving the continuity equations and the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (U-RANS), combined with the k-ω SST turbulence model. The pitch motion effects are evaluated with the turbine rotor in operation, in two fixed positions: vertical (0°) and tilted back (15°). The evaluation of the applied computational methodology is achieved by comparing the torque and power data obtained numerically with results from reference experimental studies. A discussion about the dynamic stall performance of the rotor blades is presented observing it’s behavior along the upwind and downwind regions, as well as an analysis of the behavior of the turbine turbulence wake, by observing the distribution of velocity, vorticity and turbulence intensity profiles, through measurement points distributed along the height and length of the wake. The results of the numerical simulations suggest a reduction of 3.2% in the performance of the tilted rotor, with the evaluation of the wind turbine's aerodynamic wake showing the middle region of the wake as being the most affected by the rotor tilting, with values for velocity magnitude, vorticity magnitude and turbulence intensity leading to the initial values of the undisturbed flow after traveling a distance of between 5 and 10 diameters of the turbine's rotor.