Modelação numérica da aerodinâmica de aerofólios para aplicação em turbinas eólicas de pequeno porte

Palavras-chave: Turbinas eólicas Darrieus,NACA0018,Modelação numérica,EasyCFD_G,Esquemas de advecção,Coeficientes aerodinâmicos,Darrieus turbines,NACA0018,EasyCFD_G,Advection schemes,Aerodynamic coefficients

As consequências do uso de combustíveis fósseis pressionam o mundo a adotar fontes de energia renováveis. Neste contexto as turbinas eólicas de eixo vertical de pequeno porte figuram entre uma das alternativas a usar, nomeadamente as turbinas Darrieus. Como em qualquer turbina eólica, nas turbinas Darrieus o perfil das pás tem consequências diretas na sua eficiência, sendo o seu estudo de vital importância. Nesta dissertação são modelados numericamente escoamentos em torno do aerofólio NACA0018, usado na construção das pás. São feitas simulações para escoamentos com números de Reynolds de 1,4 x 105 e 7 x 105 , os ângulos de ataque (a) variam, respetivamente, entre 0º ≤ a ≤ 180° e 0° ≤ a ≤ 30°. Após a conclusão da simulação são retirados os resultados das forças vertical e horizontal, aplicadas no aerofólio. Em regime transiente os resultados exibem oscilações periódicas, nestes casos o resultado usado é obtido fazendo uma média aritmética das oscilações. Posteriormente os resultados são comparados com dados experimentais. Em Re = 7 × 105 é testada a influência dos esquemas de advecção, os esquemas usados são: Hybrid, QUICK e HighRes SUPERBEE TVD (HR). Os resultados obtidos demonstram que os esquemas QUICK e HR apresentam melhores resultados que o Hybrid, no entanto todos falham em prever corretamente os coeficientes de sustentação, e arrasto, para incidências superiores à entrada em perda de sustentação. No geral o modelo HR parece calcular os resultados mais próximos dos dados experimentais. É também analisada a bifurcação provocada pela alteração do passo de tempo nas simulações em regime transiente, concluindo-se que não tem relação com os ciclos de histerese observados nas medições experimentais. Nas simulações dos escoamentos com Re = 1,4 × 105 é estudada a previsão de coeficientes para elevados ângulos de ataque, usado o esquema de advecção HR. Os resultados obtidos para ambos coeficientes são largamente sobrestimados em a ≥ 30º. Para valores inferiores a este ângulo de ataque, não parece haver conexão com os dados experimentais, exceção feita ao coeficiente de arrasto mas apenas para 0° ≥ a ≥ 12°. No entanto a razão entre o coeficiente de sustentação e o coeficiente de arrasto demonstra uma ótima concordância com os dados experimentais para a ≥ 30°, o que permite concluir que ambos os coeficientes são sobrestimados na mesma medida. De seguida faz-se uma análise comparativa dos resultados para os diferentes Reynolds. Conclui-se que o coeficiente de sustentação é largamente afetado para o Reynolds mais baixo, falhando em prever corretamente os resultados no intervalo de ângulos de ataque analisados (0° ≥ a ≥ 30°) Por último é feita a comparação entre os aerofólios NACA0012 e NACA0018. As condições e os parâmetros em ambas as simulações são iguais, o que torna viável a comparação entre estes resultados. A análise a ambos os resultados permite concluir que o aumento da espessura do aerofólio influencia negativamente a convergência entre dados experimentais e resultados simulados, para ângulos de ataque superiores à sustentação máxima.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias