CFD analysis of the air flow through horizontal axis wind turbines

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Diogo Miguel Costa da
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/76906
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
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spelling CFD analysis of the air flow through horizontal axis wind turbinesANSYS fluentAtmospheric wind flowCFDWind energyHorizontal axis wind turbinesEnergia eólicaEscoamento de vento atmosféricoTurbinas eólicas de eixo horizontalEngenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia MecânicaThe main purpose of this thesis was the development of a procedure which allowed to perform numerical simulations of atmospheric flows over a flat terrain and through a wind turbine. The modelling and simulation work was carried out with the use of the Computational Fluid Dynamics (CFD) software ANSYS Fluent. For the CFD procedure, the 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations using the - turbulence model was employed, considering some modifications in the model constants to account for an atmospheric flow. Regarding the modelling practice of the neutral atmospheric boundary layer, custom equations were used for representing the logarithmic velocity profile, the turbulent kinetic energy and turbulent dissipation rate. Some practices were also dedicated to the establishment of accurate boundary conditions of the computational domain as well as the selection of the wall function representing the ground. The rotor of the wind turbine was modelled with the use of a porous jump boundary condition, in which the rotor is considered an actuator disc with an infinite number of blades. In this work, four different major simulations were performed. In the first one, a CFD procedure was created which allowed to recreate an atmospheric flow in a flat terrain with a high-level accuracy, with only a 1.5% error in velocity discrepancies. For the second simulation, a CFD technique was developed to model the flow of the wind through an actuator disc. This model was validated with the Jensen and the Larsen mathematical wake models, and it displayed a capability of accurately modelling the far-wake of the turbine, with an error of roughly 5%. The third and fourth simulations include the analyses of the wake effects between two wind turbines. In the third, the rotors are distanced 6D in the prevailing wind direction and it shows a 10% decrease in the wind velocity and a 28% decrease in the power output of the downstream turbine. In the fourth, the rotors are distanced just as in the third simulation but also 4D in the perpendicular direction. Consequently, the wake effects of the upstream turbine did not directly affect the downstream turbine.Com esta dissertação pretendeu-se o desenvolvimento de um procedimento que permitisse a realização de simulações numéricas de escoamentos atmosféricos sobre uma superfície plana e por uma turbina eólica. O processo de modelação e de simulação foi realizado com o software de Dinâmica de Fluidos Computacionais (CFD) denominado ANSYS Fluent. Para o procedimento CFD, as equações 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes juntamente com o modelo de turbulência - foram utilizadas, considerando certas modificações nas constantes do modelo. Relativamente à modelação de uma camada limite atmosférica neutra, foram aplicadas equações personalizadas para representar um perfil de velocidades logarítmico, a energia cinética de turbulência e a taxa de dissipação de turbulência. As condições de fronteira, bem como a função de parede foram definidas por forma a representar corretamente o terreno do domínio. O rotor da turbina eólica foi assumido como um disco atuador com um número infinito de pás e modelado através de uma condição de fronteira de meio poroso. Neste estudo foram realizadas quatro simulações principais. Na primeira, o procedimento CFD concebido permitiu recriar um escoamento atmosférico do vento por um terreno plano, sendo que apenas apresenta um erro de 1.5 % em termos de variação de velocidade. Na segunda simulação foi desenvolvida uma abordagem CFD que permite a modelação do vento através de um disco atuador. Este modelo foi validado com os modelos Jensen e Larsen e foi assim comprovado que o modelo CFD é capaz de modelar a esteira a uma longa distância, com um erro de cerca de 5%. A terceira e quarta simulações incluem a análise dos efeitos de esteira entre duas turbinas eólicas. Na terceira simulação, os rotores estão distanciados 6D na mesma direção e consegue-se verificar uma diminuição de 10% na velocidade do vento e uma diminuição de 28% da potência extraída pela turbina a jusante. Na quarta simulação, os rotores estão espaçados como na terceira simulação, mas também a uma distância de 4D na direção perpendicular. Os resultados permitiram verificar que os efeitos de esteira não afetam diretamente a segunda turbina para a direção do vento assumida.Teixeira, J. CarlosTeixeira, S. F. C. F.Pinto, Agostinho Paulo FerreiraUniversidade do MinhoSilva, Diogo Miguel Costa da20212021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/76906eng202893944info: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:RCAAP2024-08-10T01:21:44Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/76906Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openairemluisa.alvim@gmail.comopendoar:71602024-08-10T01:21:44Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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