Análise numérica da influência de fatores atmosféricos na esteira aerodinâmica de turbinas eólicas

Abstract

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao de-senvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. Neste contex-to o presente trabalho apresenta um estudo sobre a influência de fatores atmosféricos, tais como a turbulência e a presença de um perfil de velocidades referentes à camada limite at-mosférica, no desenvolvimento da esteira aerodinâmica de uma turbina eólica dimensionada segundo a teoria de Betz. O estudo é realizado utilizando o método dos volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS). O problema de fechamento é contornado com a modelagem da turbulência segundo o modelo SST. A análise é realizada empregando o programa ANSYS-CFX 12.0 com modelagem do escoamento em regime transiente e incompressível. O domínio, discretizado com volumes tetraédricos e pris-máticos, é dividido em uma região em que está inserido o rotor da turbina e outra equivalente ao túnel de vento utilizado no trabalho experimental de referência, com condição de interface conectando os volumes. A análise é focada no estudo da esteira distante do rotor com resulta-dos comparados aos experimentais existentes na literatura. O estudo é dividido em três casos com intensidades de turbulência na entrada do domínio equivalentes a 0,6%, 2% e 6 % res-pectivamente, utilizadas tanto nas simulações com perfil uniforme de velocidades quanto para aquela com perfil logarítmico de velocidades. Os resultados, apresentados de forma adimensi-onal para a velocidade em diferentes distâncias a jusante do rotor, são coerentes com resulta-dos experimentais de outros autores. As simulações realizadas demonstram a importância de considerarem-se os efeitos atmosféricos no dimensionamento de projetos de instalação de sistemas de conversão de energia eólica.

Advances in the study of numerical simulations of turbulent flows, coupled with the increase of computational power, has enabled computational solutions for more complex engineering problems. The evolution in the use of wind energy in recent decades is directly related to the development of technology involving the conversion and project of installations. In this con-text, this work shows a study on the influence of atmospheric factors like turbulence and the existence of a velocity profile related to the atmospheric boundary layer, in the development of the aerodynamic wake of a wind turbine projected following the Betz theory. The study is done using the method of finite volumes to solve the Reynolds Averaged Navier-Stokes equa-tions (RANS), the closure problem is outlined with the SST model. The analysis is done using ANSYS-CFX 12.0 software with modeling of transient and incompressible flow. The domain, discretized with tetrahedral and prismatic volumes, is divided into a region where the tur-bine’s rotor is placed and into another one equivalent to the wind tunnel used in experimental research, with an interface condition connecting both domains. The focus of the analysis is the study of the rotor’s downstream wake, comparing the results to experimental ones from exist-ing literature. The study is divided into three cases with different turbulence intensities in the domain inlet equivalent to 0.6%, 2% and 6% respectively, used both in the uniform velocity profile and in the logarithmic velocity profile simulations. Results, presented in non-dimensional form for the velocity at different downstream distances from the rotor, are con-sistent with the experimental results of other authors. Developed simulations show the impor-tance of considering atmospheric effects on sizing projects of wind energy conversion sys-tems.