Modelagem computacional de escoamentos turbulentos em turbinas eólicas utilizando fronteira imersa e refinamento adaptativo da malha

Abstract

Os experimentos em túnel de vento realizados pela NREL utilizando-se (i) um perfil de rotor eólico modelo s809 e (ii) uma turbina eólica são reproduzidos computacionalmente no presente trabalho com os objetivos de (i) realizar o levantamento gráfico do coeficiente de sustentação e arrasto em função do ângulo de ataque e (ii) obter o torque e potência mecânica em função da velocidade do vento e fazer o levantamento gráfico do deficit de velocidade do vento na região da esteira da turbina eólica utilizando-se sondas numéricas. A técnica de refinamento dinâmico adaptativo foi empregada para a diminuição do custo computacional sem comprometer a qualidade dos resultados e a metodologia da fronteira imersa foi utilizada para representar o corpo sólido imerso no escoamento. Todas as simulações computacionais foram desenvolvidas usando o software interno MFSim. Em ambos os casos, os modelos de fechamento da turbulência escolhidos foram k − ε padrão e Spalart-Allmaras. De uma maneira geral, os resultados para os escoamentos sobre o aerofólio mostraram uma boa concordância com o experimento material e para a turbina eólica os resultados aerodinâmicos tornaram-se satisfatórios a partir de U = 10 m/s, sendo que em U = 7 m/s todos os modelos divergem do ensaio material. Para as sondas computacionais, em síntese, os resultados indicam que, na primeira sonda a jusante da turbina eólica e nas regiões mais próximas à raiz do rotor são os locais em que os deficit de velocidades são mais intensos para ambos os modelos de fechamento da turbulência.