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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mendes, Fábio Miguel Antunes
Data de Publicação: 2015
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/39002
Resumo: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
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spelling Modelação numérica da aerodinâmica de aerofólios para aplicação em turbinas eólicas de pequeno porteTurbinas eólicas DarrieusNACA0018Modelação numéricaEasyCFD_GEsquemas de advecçãoCoeficientes aerodinâmicosDarrieus turbinesNACA0018EasyCFD_GAdvection schemesAerodynamic coefficientsDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.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.Fossil fuels consumption pushes mankind toward the adoption of renewable energies. In this context small vertical axis wind turbines figure among one of the alternatives to use, namely Darrieus turbines. As in any wind turbine, the Darrieus turbine efficiency is highly dependent on the blade profile, its study being of vital importance. In this is work the flow around the airfoil NACA0018 is numerically simulated, this airfoil is used in the design of the blade. Simulations are made for Reynolds numbers of 1,4 x 105 and 7 x 105 , the angles of attack vary, respectively, between 0° ≤ a ≤ 180° and 0° ≤ a ≤ 30°. Once the simulations are completed, the vertical and horizontal forces, applied to the airfoil, are retrieved. The transient results exhibit periodic oscillations, for this case, the results are obtained by doing the average of the oscillations. Subsequently the results are compared with the experimental data. In Re = 7 × 105 is tested the influence of the advection schemes, the schemes are: Hybrid, QUICK and HighRes SUPERBEE TVD (HR). The results show that the QUICK and HR have better results than Hybrid, but all fail to correctly predict the drag and lift coefficients for the post stall region. Overall the HR model seems to calculate the results closer to the experimental data. It is also analyzed the bifurcation caused by changing the time step in the transient simulations. It is concluded that there is no link with the hysteresis cycle observed in experimental data. In the simulations for the flows with Re = 1,4 x 105 is studied the prediction for high angles of attack, in this case is only used the HR scheme. The results show that both coefficients are largely overestimated for a ≥ 30°. For lower angles of attack seems to be no connection with the experimental data, except for the drag coefficient, but only for 0° ≥ a ≥ 12°. However, the ratio of the lift and drag coefficients demonstrates a good agreement with experimental data for a ≥ 30°, which indicates that both coefficients are overestimated in the same extent. Next, the results for both Reynolds are compared. It is concluded that the lift coefficient is largely affected for the lower Reynolds, failing to predict correctly the results for the analyzed range of angles (0° ≥ a ≥ 30°). Finally, a comparison is made between the airfoils NACA0012 and NACA0018. The conditions and parameters in both simulations are equal, making it possible to compare these results. The analysis of both results shows that the increased thickness of the airfoil influences negatively the convergence between experimental and simulated results, for angles of attack higher than stall.2015-09-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/39002http://hdl.handle.net/10316/39002TID:201665255porMendes, Fábio Miguel Antunesinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2022-03-14T11:51:33Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/39002Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:58:59.891151Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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