Simulações aeroelásticas de pás de turbinas eólicas offshore.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Puraca, Rodolfo Curci
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Acoplamento fluido-estrutura; Computer fluid dynamics; Dinâmica dos fluidos computacionais; Finite Element Method; Fluid-structure coupling; Método dos Elementos Finitos; Turbina eólica; Wind turbines
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-21012026-123113/

Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de uma metodologia de interação fluido estrutura (FSI) de alta fidelidade para simulações aeroelásticas de pás de turbinas eólicas, com foco especial em sistemas offshore de grande porte, como a turbina de referência IEA 15 MW. A motivação está na crescente necessidade por ferramentas numéricas precisas que sejam capazes de capturar o acoplamento dinâmico entre forças aerodinâmicas e deformações estruturais em pás modernas e flexíveis. Para isso, foi implementado um adaptador para permitir o acoplamento entre o solucionador por elementos finitos Giraffe, baseado na formulação de viga geometricamente exata, e a biblioteca de acoplamento multifísico preCICE. Esse adaptador suporta esquemas de acoplamento explícito e implícito, permitindo a troca de forças e deslocamentos com solucionadores de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), como o OpenFOAM, por meio de comunicação via socket Unix utilizando protocolos baseados em JSON. A implementação foi projetada com foco em robustez, capacidade de reinício e escalabilidade para execução em ambientes de computação de alto desempenho. Foi implementada uma metodologia de mapeamento baseada em interpolação MLS com funções de base radial (RBF), utilizando múltiplas vigas offset para capturar de forma precisa a deformação da seção transversal. A metodologia também considera características geométricas específicas da pá, como prebend, precone e tilt. O framework proposto foi validado com casos benchmark da literatura, demonstrando boa concordância. Simulações adicionais com uma asa HALE confirmaram a capacidade do acoplamento em resolver oscilações de grande amplitude, separação de escoamento e vibrações induzidas por vórtices. Como primeira aplicação aeroelástica em turbinas eólicas, foram realizadas simulações 3D acopladas de uma pá da turbina IEA 15 MW em condição estacionária e em operação. Nos casos estacionários, investigaram-se diferentes ângulos de incidência e presença de turbulência. Os resultados revelaram oscilações significativas nas direções flapwise e chordwise, destacando o efeito das condições de escoamento nas cargas internas. No caso em operação, a simulação foi iniciada a partir de uma configuração estrutural já deformada estaticamente, evitando grandes deformações iniciais da malha e transientes não físicos. Os resultados preliminares confirmaram a capacidade do método em resolver estruturas de escoamento e resposta estrutural realistas. Conclui-se que esta tese fornece uma metodologia robusta e flexível para a simulação de fenômenos aeroelásticos em turbinas eólicas de grande porte, oferecendo uma base sólida para pesquisas futuras em controle, otimização estrutural e avaliação de carregamentos extremos em turbinas offshore.