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Tipo de documento: Tese
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: Proposta de uma metodologia para o projeto aerodinâmico de turbinas eólicas e hidrocinéticas
Título (s) alternativo (s): Proposal of a methodology for the aerodynamic design of wind and hydrokinetic turbines
Autor: Ignacio, Luís Henrique da Silva
Primer orientador: Souza, Francisco José de
Primer coorientador: Duarte, Carlos Antonio Ribeiro
Primer miembro de la banca: Silveira Neto, Aristeu da
Segundo miembro de la banca: Padilla, Elie Luis Martínez
Tercer miembro de la banca: Salvo, Ricardo de Vasconcelos
Cuarto miembro de la banca: Halila, Gustavo Luiz Olichevis
Resumen: O principal objetivo do presente estudo foi o desenvolvimento de uma metodologia pragmática que permita avaliar, com certa precisão, o desempenho de turbinas eólicas e hidrocinéticas. Para tal avaliação, utilizou-se o software QBlade, desenvolvido com base na metodologia Blade Element Momentum (BEM), a qual requer as curvas dos coeficientes de arrasto e sustentação em função do ângulo de ataque para o perfil aerodinâmico que compõe a pá da turbina. Tais curvas podem ser obtidas na literatura ou por simulação computacional. Em ambos os casos, o número de Reynolds considerado é aquele que ocorre na posição igual a 70% da envergadura da pá. Para a obtenção via simulação computacional, foram geradas malhas bidimensionais, cujas dimensões são baseadas no comprimento da corda do perfil a ser simulado. O cálculo de tais coeficientes é realizado apenas para uma faixa de valores de ângulos de ataque, sendo que para os demais faz-se uma extrapolação dentro do software QBlade utilizando o método Viterna. A solução das equações de Navier Stokes foi obtida por meio da aplicação da metodologia Reynolds Averaged Navier-Stokes. Antes de serem inseridas no software QBlade, as curvas dos coeficientes devem ser tratadas por um dos dois modelos: Aerodas ou Stall Delay, para que comportamentos não captados na simulação bidimensional sejam considerados. Para as seções que apresentam perfil circular, o coeficiente de arrasto é obtido graficamente. Todas as considerações apresentadas foram aplicadas no estudo de duas turbinas que possuem resultados experimentais disponíveis na literatura. A turbina hidrocinética possui duas pás compostas pelo perfil aerodinâmico NACA 63-618, raio do rotor igual a 0,4 m e o número de Reynolds igual a 4×10^5. Já a turbina eólica possui duas pás constituídas pelo aerofólio S809, raio do rotor igual a 5,029 m e o número de Reynolds igual a 1×10^6. O modelo de de turbulência transicional Langtry-Menter Shear Stress Transport apresentou os melhores resultados para os perfis aerodinâmicos das turbinas. As curvas de potência obtidas com os coeficientes tratados com o modelo Aerodas, para ambas turbinas, apresentaram boa aproximação aos valores experimentais obtidos na literatura. Além disso, os resultados não apresentaram diferenças significativas quando aplicadas as curvas dos coeficientes de arrasto e sustentação limitadas até ângulo de estol ou completas. Já as curvas de potência estimadas com os coeficientes tratados com o Stall Delay se aproximaram mais dos dados experimentais do que as obtidas com os coeficientes tratados com o Aerodas. Porém, para a turbina eólica foi necessário estimar coeficientes de arrasto e sustentação para ângulos de ataque maiores que o ângulo de estol. Por fim, foi elaborado um fluxograma para a avaliação energética de turbinas eólicas e hidrocinéticas.
Abstract: The main objective of the present study was the development of a pragmatic methodology that allows to evaluate, with some precision, the performance of wind and hydrokinetic turbines. For this evaluation, the QBlade software was applied, which is based on the Blade Element Momentum (BEM) methodology and requires the lift and drag coefficient curves as a function of the angle of attack for the turbine blade aerodynamic profile. Such curves can be obtained in the literature or by computational simulation. In both cases, the Reynolds number considered is the one that occurs at a position equal to 70% of the blade span. For the computational simulation, two-dimensional meshes were generated, whose dimensions are based on the profile chord length. The calculation of such coefficients is performed only for an angle of attack range, and for the others an extrapolation is made within the QBlade software applying the Viterna method. The solution of the Navier Stokes equations was obtained by applying the Reynolds Averaged Navier-Stokes methodology. Before being inserted into the QBlade software, the coefficient curves must be treated by one of the two models: Aerodas or Stall Delay, so that behaviors not captured in the two-dimensional simulation are considered. For sections with a circular profile, the drag coefficient is graphically obtained. All considerations presented were applied in the study of two turbines that have experimental results available in the literature. The hydrokinetic turbine has two blades composed of the aerodynamic profile NACA 63-618, rotor radius equal to 0.4 m and Reynolds number equal to 4×10^5. Similarly, the wind turbine has two blades with S809 airfoil, rotor radius equal to 5.029 m and Reynolds number equal to 1×10^6. The Langtry-Menter Shear Stress Transport transitional turbulence model presented the best results for the turbines’ aerodynamic profiles. The power curves obtained with the coefficients treated with the Aerodas model, for both turbines, showed a good approximation to the experimental values obtained in the literature. In addition, the results did not show significant differences when applying the curves of lift and drag coefficients complete or limited to stall angle. On the other hand, the estimated power curves with the coefficients treated with the Stall Delay were even more accurate than those obtained with the coefficients treated with the Aerodas. However, for the wind turbine it was necessary to estimate lift and drag coefficients for angles of attack greater than the stall angle. Finally, a flowchart for the energy evaluation of wind and hydrokinetic turbines was proposed.
Palabras clave: Engenharia mecânica
Aerodas
Turbina eólica
Fluxograma
Turbina hidrocinética
Potência
Stall Delay
Wind turbine
Flowchart
Hydrokinetic turbine
Power
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Tema: Engenharia mecânica
Energia eólica
Turbinas hidráulicas
Simulação por computador
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: IGNACIO, Luís Henrique da Silva. Proposta de uma metodologia para o projeto aerodinâmico de turbinas eólicas e hidrocinéticas. 2022. 93 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.630.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.630
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36724
Fecha de defensa: 15-dic-2022
Aparece en las colecciones:TESE - Engenharia Mecânica

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