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Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: Aerodynamic analysis of bioinspired blades based on Cerrado seeds for small-scale wind turbines
Título (s) alternativo (s): Aerodynamic analysis of bioinspired blades based on Cerrado seeds for small-scale wind turbines
Autor: Paiva, Lohanna Ferreira
Primer orientador: Cavallini Junior, Aldemir Aparecido
Primer coorientador: Almeida, Odenir de
Primer miembro de la banca: Vedovotto, João Marcelo
Segundo miembro de la banca: Zachariadis, Demétrio Cornilios
Resumen: A crescente demanda por fontes de energia sustentável impulsionou pesquisas intensivas em tecnologias renováveis, e a energia eólica emerge como uma protagonista no cenário da energia verde. Nesse contexto, a otimização de pás de turbinas eólicas desempenha um papel crucial para a eficiência global dos sistemas de geração de energia eólica. A busca por designs mais eficientes e inovadores leva à aplicação de abordagens bioinspiradas, onde os princípios da natureza são incorporados para aprimorar o desempenho aerodinâmico. Dessa forma, esta dissertação abrange uma investigação inédita das propriedades aerodinâmicas de samarídeo do Cerrado, destacando o comportamento de autorotação, padrões de fluxo e velocidades de queda livre. A análise experimental em túnel de vento foi complementada por simulações RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) para o samarídeo (em escala real), a pá de referência de geometria convencional baseado nos aerófólios SG6043 sem ângulo de ataque e a pá bioinspirada (com redução de solidez), e simulações QBlade para a pá de referência. Para isso utilizou-se o software ANSYS Fluent®, usando o modelo Moving Frame Reference – MRF, empregado para modelar o fluxo de ar ao redor da turbina. As simulações cobriram uma faixa de velocidade do vento de 4 a 12 m/s, com acréscimo de 2m/s e uma velocidade de rotação variando de 300 a 700 RPM, com acréscimo de 100 RPM. Houve concordância entre as simulações e os dados experimentais, estabelecendo que a faixa operacional eficaz deste rotor está entre 4.5 e 6 m/s. Os resultados, consistentes com estudos anteriores, revelam padrões de autorotação eficientes, contribuindo significativamente para a compreensão dos princípios aerodinâmicos subjacentes. Nessas condições, a turbina bioinspirada prosposta tem para um TSR = 5, entre com Ω = 300 – 500 RPM, CP,máx ≈ 0.54, enquanto a referência apresentou um CP,máx ≈ 0.55, com TSR = 6, cerca de 460 RPM, no software Qblade®, e CP,máx ≈ 0.55, com TSR = 8, cerca de 600 RPM no Ansys Fluent®.Além disso, foi construído um comparativo entre a pá bioinspirada desenvolvida neste estudo e outras pás bioinspiradas existentes. Essas análises detalhadas oferecem uma base sólida para futuras inovações em turbinas eólicas, fornecendo informações cruciais sobre o desempenho relativo das pás, suas características de início de rotação e torques associados. Todos os experimentos foram realizados no LAEX (Laboratório de Aerodinâmica Experimental) do Centro de Pesquisas Aerodinâmicas Experimentais (CPAERO) na Universidade Federal de Uberlândia (UFU).
Abstract: The increasing demand for sustainable energy sources has propelled intensive research in renewable technologies, with wind energy emerging as a critical player in the green energy landscape. In this context, optimizing wind turbine blades plays a crucial role in the overall efficiency of wind energy generation systems. Pursuing more efficient and innovative designs has led to applying bioinspired approaches, incorporating natural principles to enhance aerodynamic performance. This dissertation encompasses a novel investigation into the aerodynamic properties of Cerrado samara, focusing on autorotation behavior, flow patterns, and free-fall velocities. Experimental analysis in a wind tunnel was complemented by Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations for the full-scale samara, a conventional reference blade based on SG6043 airfoils without angle of attack, and a bioinspired blade with reduced solidity. QBlade simulations were performed for the reference blade. The ANSYS Fluent® software, using the Moving Frame Reference (MRF) model, was employed to model airflow around the turbine. Simulations covered a wind speed range of 4 to 12 m/s, with increments of 2 m/s, and a rotation speed ranging from 300 to 700 RPM, with increments of 100 RPM. There was an agreement between simulations and experimental data, establishing the effective operational range of this rotor between 4.5 and 6 m/s. Consistent with previous studies, results reveal efficient autorotation patterns, significantly contributing to understanding underlying aerodynamic principles. Under these conditions, the proposed bioinspired turbine achieves a TSR of 5, with Ω ranging from 300 to 500 RPM, yielding CP,max of approximately 0.54. In comparison, the reference blade demonstrated a CP max of roughly 0.55 at TSR 6, around 460 RPM, using QBlade®, and a CP,max of approximately 0.55 at TSR 8, around 600 RPM, using Ansys Fluent®. A comparative analysis was also conducted between the bioinspired blade developed in this study and existing bioinspired blades. These detailed analyses provide a solid foundation for future innovations in wind turbines, offering crucial insights into the relative performance of blades, their initiation characteristics, and associated torques. All experiments were conducted at the LAEX (Laboratório de Aerodinâmica Experimental) of the Centro de Pesquisas Aerodinâmicas Experimentais (CPAERO) at the Universidade Federal de Uberlândia (UFU).
Palabras clave: Aerodynamic
Small Wind Turbine
Bioinspired
Samarid
Cerrado
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Tema: Engenharia mecânica
Idioma: eng
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: PAIVA, Lohanna Ferreira. Aerodynamic analysis of bioinspired blades based on Cerrado seeds for small-scale wind turbines. 2024. 150 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.675.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.675
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46172
Fecha de defensa: 31-ene-2024
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Aparece en las colecciones:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

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