Otimização dos perfis aerodinâmicos de uma hélice de turbina eólica
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFJF |
Texto Completo: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/14874 |
Resumo: | A otimização multidisciplinar é essencial no desempenho de estruturas usadas na indústria aeronáutica, na indústria automobilística, na indústria no contexto de energias renováveis como nos parques eólicos e assim por diante. Neste contexto ilustra-se a otimização estrutural e aerodinâmica de hélices, aerofólios pás de turbinas de turbinas eólicas. A otimização desses elementos pode contemplar vários objetivos, restrições e espaços de buscas. Ela pode ser paramétrica ou dimensional, de forma, topológica ou mesma a combinação de todas essas simultaneamente. Ainda, os problemas podem ser formulados com um único ou múltiplos objetivos. A solução destes problemas de otimização pode ser feita por métodos determinísticos, meta-heurísticas ou métodos híbridos. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver uma metodologia capaz de otimizar a geometria de um perfil aerodinâmico, visando a melhoria aerodinâmica usando-se para isso os Algoritmos Genéticos. Para tratar a solução aerodinâmica, usou-se a plataforma XFOIL, de Mark Drela, amplamente utilizada na literatura. O objetivo da otimização passa pela maximização da relação de sustentação e arrasto. Adotou-se uma parametrização de Bézier para a geração da forma do aerofólio onde as coordenadas das curvas de Bézier são as variáveis de projeto, que em muito facilitaram a descrição da forma do aerofólio. Foi utilizado um algoritmo genético do tipo geracional com codificação real das variáveis de projeto e adotou-se os operadores de recombinação simulated Binary crossover (SBX) e uma mutação polinomial. A Plataforma para otimização evolutiva multi-objetivo (PlatEMO) foi adotada para resolver os problemas de otimização apresentados nesta dissertação. Os perfis otimizados são implementados em um estudo de caso, uma turbina eólica de eixo horizontal produzida pela NREL (Laboratório Nacional de Energia Renovável). Através da ferramenta QBlade, é possível obter informações de potência, torque e empuxo geradas pela turbina com os perfis otimizados e compará-las com as informações da turbina padrão comercial. Além disso, também foi possível realizar uma comparação perfil a perfil, entre cada perfil otimizado e seu perfil comercial associado. Foi observado que com os perfis desenvolvidos nessa dissertação houve melhorias aerodinâmicas na comparação realizada, seja na comparação perfil a perfil, quanto na comparação via características da turbina. |
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Ainda, os problemas podem ser formulados com um único ou múltiplos objetivos. A solução destes problemas de otimização pode ser feita por métodos determinísticos, meta-heurísticas ou métodos híbridos. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver uma metodologia capaz de otimizar a geometria de um perfil aerodinâmico, visando a melhoria aerodinâmica usando-se para isso os Algoritmos Genéticos. Para tratar a solução aerodinâmica, usou-se a plataforma XFOIL, de Mark Drela, amplamente utilizada na literatura. O objetivo da otimização passa pela maximização da relação de sustentação e arrasto. Adotou-se uma parametrização de Bézier para a geração da forma do aerofólio onde as coordenadas das curvas de Bézier são as variáveis de projeto, que em muito facilitaram a descrição da forma do aerofólio. Foi utilizado um algoritmo genético do tipo geracional com codificação real das variáveis de projeto e adotou-se os operadores de recombinação simulated Binary crossover (SBX) e uma mutação polinomial. A Plataforma para otimização evolutiva multi-objetivo (PlatEMO) foi adotada para resolver os problemas de otimização apresentados nesta dissertação. Os perfis otimizados são implementados em um estudo de caso, uma turbina eólica de eixo horizontal produzida pela NREL (Laboratório Nacional de Energia Renovável). Através da ferramenta QBlade, é possível obter informações de potência, torque e empuxo geradas pela turbina com os perfis otimizados e compará-las com as informações da turbina padrão comercial. Além disso, também foi possível realizar uma comparação perfil a perfil, entre cada perfil otimizado e seu perfil comercial associado. Foi observado que com os perfis desenvolvidos nessa dissertação houve melhorias aerodinâmicas na comparação realizada, seja na comparação perfil a perfil, quanto na comparação via características da turbina.Multidisciplinary optimization is essential in the performance of structures used in the aeronautical industry, in the automobile industry, in the industry in the context of renewable energy such as wind farms and so on. In this context, for example, the structural and aerodynamic optimization of propellers, airfoils and turbine blades of wind turbines is illustrated. The optimization of these elements can contemplate several objectives, restrictions and search spaces. It can be parametric or dimensional, shape, topological or even a combination of all these simultaneously. Also, problems can be formulated with a single or multiple objectives. The solution of these optimization problems can be done by deterministic methods, metaheuristics or hybrid methods. This dissertation aims to develop a methodology capable of optimizing the geometry of an aerodynamic profile, aiming at aerodynamic improvement using Genetic Algorithms. To treat the aerodynamic solution, the XFOIL platform, by Mark Drela, widely used in the literature, was used. The goal of optimization is to maximize the lift and drag ratio. A Bézier parameterization was adopted for the generation of the airfoil shape where the coordinates of the Bézier curves are the design variables, which greatly facilitated the description of the airfoil shape. A generational genetic algorithm was used with real coding of the design variables and the simulated binary crossover (SBX) recombination operators and a polynomial mutation were adopted. The MATLAB Platform for Evolutionary Multi-Objective Optimization (PlatEMO) was adopted to solve the optimization problems presented in this dissertation. The optimized profiles are implemented in a case study, a horizontal axis wind turbine produced by NREL. Through the QBlade tool, it is possible to obtain power, torque and thrust information generated by the turbine with the optimized profiles and compare them with the information of the commercial standard turbine. In addition, it was also possible to perform a profile-by-profile comparison between each optimized profile and its associated business profile. It was observed that with the profiles developed in this dissertation, there were aerodynamic improvements in the comparison made, either in the profile-by-profile comparison, or in the comparison via turbine characteristicsporUniversidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Programa de Pós-graduação em Modelagem ComputacionalUFJFBrasilFaculdade de EngenhariaAttribution 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::ENGENHARIASOtimizaçãoAlgoritmo genéticoTurbina eólicaSimulaçãoXFOILOptimizationGenetic algorithmWind turbineSimulationOtimização dos perfis aerodinâmicos de uma hélice de turbina eólicainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFJFinstname:Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)instacron:UFJFORIGINALrodrigoperobelisilvacosta.pdfrodrigoperobelisilvacosta.pdfPDF/Aapplication/pdf5148291https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14874/1/rodrigoperobelisilvacosta.pdf2f6b8cdc66ecf226ed5916ecae4d12f0MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8914https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14874/2/license_rdf4d2950bda3d176f570a9f8b328dfbbefMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14874/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53TEXTrodrigoperobelisilvacosta.pdf.txtrodrigoperobelisilvacosta.pdf.txtExtracted texttext/plain87926https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14874/4/rodrigoperobelisilvacosta.pdf.txtc22cd0f6c1884104d4dfd2f704ac6306MD54THUMBNAILrodrigoperobelisilvacosta.pdf.jpgrodrigoperobelisilvacosta.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1128https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14874/5/rodrigoperobelisilvacosta.pdf.jpg9408284dc2e7d694e50f9b1c1ed4df97MD55ufjf/148742023-01-19 04:15:58.842oai:hermes.cpd.ufjf.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufjf.br/oai/requestopendoar:2023-01-19T06:15:58Repositório Institucional da UFJF - Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)false |
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