Análise numérica do efeito da arfagem no desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica Darrieus offshore

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Balafa, Pericles Nicolau
• Orientador(a): Petry, Adriane Prisco
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Turbinas eólicas; Estruturas offshore; Aerodinâmica; Análise numérica
• Palavras-chave em Inglês: Vertical axis wind turbine; Darrieus; Offshore; Pitch; Aerodynamics
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/294346

Dotada de três plataformas continentais de reconhecida qualidade eólica, a costa brasileira apresenta o maior potencial eólico offshore dentre os mercados emergentes. O desafio, no entanto, vem pelas correntes oceânicas e pelo comportamento dos ventos, onde os movimentos resultantes destes fenômenos naturais expõem turbinas eólicas a condições físicas e mecânicas diferentes daquelas percebidas por suas contemporâneas onshore. Este é o caso dos movimentos de plataforma, que afetam a aerodinâmica do rotor, ao passo que a mesma variação de forças aerodinâmicas no rotor influencia a plataforma, ou seja: o acoplamento entre hidrodinâmica e aerodinâmica, inerente ao ambiente offshore. Neste contexto, turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) figuram como tecnologias alternativas e atrativas, devido sua geometria e condição de operação, apresentando centro de gravidade mais baixo e um rotor apropriado à diferentes direções dos ventos; reduzindo os efeitos dos movimentos de plataforma sobre a aerodinâmica do rotor, e vice-versa. Contudo, é necessário compreender o conjunto complexo da dinâmica que envolve a operação das TEEVs offshore, para correta avaliação de sua viabilidade técnica e econômica. Dentre os diferentes movimentos de plataforma percebidos por turbinas eólicas offshore, tem-se o movimento de pitch ou arfagem, que consiste da inclinação da turbina para frente e para trás. A relevância deste movimento no estudo de turbinas eólicas offshore é percebido através do volume de trabalhos numéricos e experimentais disponibilizados na literatura, onde resultados identificam alterações na esteira de turbulência do rotor, bem como flutuações de torque e potência. Assim, reconhecendo a importância do tema, o presente trabalho propõe a realização de estudo numérico para simulação do comportamento de uma turbina Darrieus troposkein de pequeno porte, sob efeito do movimento de arfagem, em regime transiente, para avaliação de seu desempenho aerodinâmico em termos de torque e potência. Aplica-se o Método dos Volumes Finitos, resolvendo as equações da continuidade e de NavierStokes com médias de Reynolds (U-RANS), juntamente com modelo de turbulência k-ω SST. Os efeitos da arfagem são avaliados com o rotor da turbina em operação, em duas posições fixas: vertical (0°) e com inclinação para trás (15°). A avaliação da metodologia computacional empregada se dá comparando os valores de torque e potência obtidos numericamente com resultados de estudos experimentais de referência. Apresenta-se, ainda, uma discussão acerca da atuação do estol dinâmico nas pás do rotor, observando seu comportamento ao longo das regiões upwind e downwind, bem como uma análise do comportamento da esteira aerodinâmica da turbina, avaliando a distribuição dos perfis de velocidade, da vorticidade e da intensidade de turbulência, através de pontos de medição distribuídos ao longo da altura e comprimento da esteira. Os resultados das simulações numéricas apontam uma redução de 3,2% no desempenho do rotor inclinado, com a avaliação da esteira aerodinâmica da turbina eólica evidenciando a região intermediária da esteira como sendo a mais afetada pela inclinação do rotor, com valores para magnitude da velocidade, vorticidade e da intensidade da turbulência tendendo aos valores iniciais, do escoamento não perturbado, após percorrida uma distância entre 5 a 10 diâmetros de rotor da turbina eólica.