Análise da esteira de um aerogerador offshore para camada limite atmosférica estável e instável

Abstract

Neste trabalho, são examinados perfis de estratificação térmica estável e instável, comparando ambos na recuperação da esteira aerodinâmica de uma turbina eólica offshore. Antes disso, primeiramente valida-se a aplicação do modelo de turbulência k-ε-fp cstB na manutenção dos perfis de u, k e ε ao longo do domínio. Posteriormente, compara-se os resultados com a literatura. A análise é realizada em ANSYS Fluent 19.2, aplicando-se uma UDF para definição dos perfis de entrada, termos-fonte e parâmetros do modelo de turbulência. A turbina é representada como um disco atuador, que remove energia cinética do escoamento. O domínio, baseado na literatura, é estendido para captação da recuperação completa da esteira turbulenta. Como resultado, o modelo k-ε-fp cstB reduziu o decaimento dos perfis da entrada em 7% e 14% comparado ao modelo k-ε MOST. Ademais, obteve-se desvios máximos de 12% e 14% para os casos estável e instável, em comparação com os resultados da literatura. Ao final do domínio, obteve-se uma recuperação de 98% da esteira para ambos os perfis de estratificação, com o perfil instável mostrando recuperar-se mais rapidamente que o perfil estável, precisando de 8 diâmetros para recuperar 90% da velocidade do escoamento, enquanto que o estável precisa de 22 diâmetros.

In this work, stable and unstable thermal stratification profiles are examined, comparing both in the recovery of an offshore wind turbine’s aerodynamic wake. Before that, the application of the k-ε-fp cstB turbulence model is first validated in maintaining the u, k, and ε profiles along the domain. Subsequently, results are compared with the literature. The analysis is performed in ANSYS Fluent 19.2, applying an UDF to define inlet profiles, source terms, and turbulence model parameters. The turbine is represented as an actuator disk, which removes kinetic energy from the airflow. The domain, based on the literature, is extended to capture the full recovery of the turbulent wake. As a result, the k-ε-fp cstB model reduced the decay of inlet profiles by 7% and 14% compared to the k-ε MOST model. Furthermore, maximum deviations of 12% and 14% were obtained for the stable and unstable cases, when compared with literature results. At the end of the domain, a 98% wake recovery was achieved for both stratification profiles, with the unstable profile showing faster recovery than the stable profile, requiring 8 diameters to recover 90% of the flow velocity, while the stable profile requires 22 diameters.