Wind turbine-type rotor under mildly compressible blade tip flow regime - full 3D CFD assessment of an explicit algebraic reynolds stress constitutive model

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Lovatto, Marco Leonardelli
• Orientador(a): Petry, Adriane Prisco
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Aerodinâmica; Dinâmica dos fluidos computacional; Turbinas eólicas; Escoamento turbulento
• Palavras-chave em Inglês: Aerodynamics; Wind energy; Nonlinear eddy viscosity model (NLEVM); All-Mach density-based coupled flow; Computational methods
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/279750

O estudo experimental de grandes turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEHs) sob condições controladas ainda está sujeito a restrições de viabilidade. Portanto, esta pesquisa é uma contribuição para a busca de estratégias de Fluidodinâmica Computacional (CFD) 3D de alta fidelidade mais adequadas para capturar corretamente o complexo comportamento do escoamento em grandes TEEHs. Diferentemente dos modelos de turbulência a duas equações baseados na aproximação de Boussinesq, que reside na hipótese de turbulência isotrópica, as características anisotrópicas dos Modelos Algébricos Explícitos de Tensão de Reynolds (EARSM) oferecem o potencial de capturar mais dos fenômenos de escoamento complexos intrínsecos aos sistemas rotativos sem a necessidade de mais de duas equações de transporte para as escalas de turbulência, portanto com quase o mesmo custo computacional dos modelos a duas equações de última geração baseados em Boussinesq. O modelo WJ-BSL-EARSM implementado no ANSYS Fluent, que se baseia no modelo de determinação de escala k-ω BSL, é avaliado, neste trabalho, em um rotor do tipo turbina eólica em sua velocidade de projeto, com regime de escoamento de ponta de pá levemente compressível. Perfis de pressão da pá do rotor, forças seccionais normais e tangenciais, bem como a força axial total (empuxo) e o torque, obtidos a partir das equações fundamentais compressíveis em estado estacionário com os modelos de turbulência WJ-BSL-EARSM e k-ω SST, são comparados com as medições experimentais de referência oferecidas pela campanha New MEXICO, bem como com outros dados CFD da literatura recente no mesmo caso. Este trabalho concentra-se no rotor MEXICO, de três pás e 4,5 m de diâmetro, sem ângulo de guinada, com ângulo de passo da pá de -2,3°, girando a 425,1 rpm sob a velocidade de vento de projeto de 15,06 m/s, resultando em uma razão de ponta de pá de 6,65. Magnitudes de velocidade tão altas quanto 140 m/s (Mach 0,4) são atingidas no extradorso da pá perto da ponta, uma condição esperada de ser encontrada em grandes TEEHs. Os resultados convergidos obtidos em uma malha poliédrica de 8,43 milhões de células ofereceram um empuxo que se desvia dos experimentos em apenas 0,34%, o menor desvio entre a literatura CFD revisada no mesmo caso e dentro do desvio padrão percentual dos experimentos. Além disso, à medida que a ponta da pá é aproximada, as forças seccionais tangenciais estão mais próximas dos experimentos que as médias da literatura CFD revisada.