Modelagem CFD de esteiras em turbinas eólicas de eixo horizontal e vertical para um parque eólico usando o método de linha atuadora (ALM)

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Montoya Juarez, Genaro [UNESP]
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: CFD; VAWT; HAWT; Actuator line method; Wind turbine wake; Wind farm; Método de linha do atuador; Parque eólico; Esteiras de turbinas eólicas
• Link de acesso: https://hdl.handle.net/11449/312315

Aenergia eólica tem se destacado como uma das fontes de energia renovável mais promissoras, impulsionada pela necessidade global de reduzir emissões de gases de efeito estufa. Apesar desse crescimento, os parques eólicos enfrentam desafios significativos, como o impacto das esteiras geradas pelas turbinas, que podem comprometer a eficiência energética e a segurança operacional. Este estudo aborda esses desafios através da implementação de um modelo robusto de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), utilizando o Método de Linha do Atuador (ALM), para simular as esteiras geradas por turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWTs) e de eixo vertical (VAWTs). O modelo foi validado por comparação com dados experimentais obtidos em túneis de vento e com resultados de simulações numéricas de referência (e.g., ALM-LES e ADM-RANS) para fazendas eólicas existentes, como a fazenda eólica offshore Horns Rev. Omodelo foi implementado no software OpenFOAM, utilizando o modelo de turbulência k-ε, e a análise de convergência da malha foi realizada por meio do Índice de Convergência de Malha (GCI). Os resultados demonstraram excelente concordância com dados experimentais e estudos anteriores, evidenciando a precisão do modelo na reprodução de comportamentos turbulentos e vorticidades nas esteiras das turbinas. Adicionalmente, o modelo apresentou uma notável redução no custo computacional em relação a abordagens CFD que discretizam geome tricamente as pás; essa eficiência, quantificada neste estudo por meio de uma métrica de custo computacional normalizada e comparada com referências da literatura, destaca a significativa vantagem da metodologia empregada. Os resultados comparativos entre HAWTs e VAWTs revelaram diferenças significativas no tamanho e comportamento das esteiras, implicando que as estratégias de arranjo em parques eólicos devem ser distintas para cada tipologia, considerando o desenvolvimento diferenciado das esteiras e seu impacto nas turbinas a jusante. Particularmente para VAWTs, o agrupamento em clusters emerge como uma consideração crucial no design. Conclui-se que a implementação do ALM com modelos RANS (k-ε) constitui uma ferramenta eficiente para investigar estes fenômenos, viabilizando estudos detalhados sobre a otimização de parques eólicos com diferentes tipos de turbinas.