Modelagem e simulação aerodinâmica de turbinas eólicas offshore usando modelos atuadores.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Oliveira, Daniel Francisconi
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Actuator disc; Actuator line; Computational fluid dynamics; Configuração em tandem; Dinâmica dos fluidos computacional; Disco atuador; Linha atuadora; Tandem configuration; Turbinas eólicas; Wind turbines
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-17072023-103843/

Há uma demanda crescente por fontes de energia renováveis no contexto do combate às mudanças climáticas, e a energia eólica desempenha papel fundamental na transição energética. Projetar grandes turbinas e otimizar parques eólicos depende da capacidade de modelar e simular a extração de energia do vento. Modelos atuadores têm sido amplamente usados para simular aerogeradores. Este trabalho investiga as capacidades do modelo de disco atuador (ADM) e do modelo de linha atuadora (ALM), usando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD). O objetivo é entender a influência de parâmetros numéricos, validar os modelos e analisar seus resultados para turbinas offshore. O ADM pode fornecer previsões precisas de potência e empuxo, além da dinâmica geral do escoamento, porém seu comportamento axissimétrico não é capaz de reproduzir o escoamento próximo ao rotor. Por outro lado, o ALM pode capturar as estruturas turbulentas na região da esteira próxima com maior fidelidade, apesar de o passo de tempo ser consideravelmente menor devido à restrição CFLtip, que limita a ponta da pá a percorrer até uma célula da malha em um passo de tempo, amentando o custo computacional, ainda abaixo de modelos blade-resolved. Com simulações LES (large eddy simulations), foi encontrada uma concordância muito boa entre o ALM e a teoria já bem estabelecida de Blade Element Momentum (BEM) para um fator de espalhamento fixado em 2.5 vezes o espaçamento da malha. Uma malha mais grosseira superestima as forças especialmente perto da ponta da pá, portanto, uma correção de ponta da pá melhoraria as previsões de potência e empuxo neste caso. Foi mostrado que o refino da malha ao longe do rotor não tem impacto na previsão de potência e empuxo de uma única turbina. Em relação às turbinas em configuração tandem, a importância da turbulência na condição de entrada e espaçamento entre turbinas foi avaliada para ADM com simulações RANS (Reynolds-averaged NavierStokes) e para ALM com gerador de turbulência sintético para LES. Intensidades de turbulência mais altas levaram a recuperação de esteira mais rápida e aumentaram a previsão de potência da turbina a jusante, sem considerar consequências estruturais. O espaçamento maior entre as turbinas também melhora a energia da turbina a jusante, no entanto, fica limitado à área do site. Os níveis de turbulência mostraram impacto importante na recuperação da esteira do primeiro aerogerador, mas pouco significativo para o segundo, mostrando que variáveis turbulentas na entrada teriam pouco impacto em uma terceira fileira de aerogeradores em configuração 5D. Para uma turbina eólica de 15 MW, aumentar o espaçamento entre turbinas de 5D para 10D elevou a potência da turbina a jusante em 40%. Por fim, análises da esteira foram feitas, e o ALM foi capaz de prever velocidades assimétricas devido à presença de camada limite atmosférica (ABL) e o sentido de rotação das pás.