Vórtices helicoidais : modelo, aplicação e o problema do fator de ponta em hélices e turbinas eólicas

• Autor(a) principal: Danilo César Rodrigues Azevedo
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/62633
• topic: Vórtice helicoidais; Hélices; Turbinas eólicas; Aerodinâmica; Métodos computacionais; Engenharia mecânica; Hélices; Turbinas; Energia eólica; Aerodinâmica; Métodos de simulação

O método do vórtice helicoidal tem sido alvo de pesquisas principalmente devido ao crescimento do uso de energias limpas, em especial a energia eólica, por representar de forma confiável e robusta a esteira a jusante dos aerogeradores. O modelo tem origem no âmbito da aeronáutica ainda na década de 30, tendo sido pouco utilizado no projeto de hélices. Neste trabalho, o resgate deste método, bem como uma revisão das pesquisas sobre o tema foi realizada, permitindo-se a avaliação do método para o cálculo de desempenho de hélices e turbinas eólicas. O trabalho buscou validar a hipótese de que é possível mitigar erros de previsão de desempenho substituindo o uso de fatores de correção de ponta pelo cálculo efetivo das condições aerodinâmicas em cada posição ao longo da pá através do uso da técnica de vórtices helicoidais, retirando a consideração de elementos independentes, tais como as utilizadas nos métodos tradicionais baseados em Blade Element-Momentum (BEM). Uma metodologia de aplicação foi detalhada e validada através da determinação da distribuição de circulação para a eficiência ótima nos casos de um rotor com número infinito de pás e arrasto nulo; número infinito de pás na presença de arrasto; número de pás finitas e arrasto nulo; e, número de pás finitas na presença de arrasto. Ainda na etapa de validação do método, calculou-se o desempenho de um rotor previamente experimentado e apresentou-se resultados da otimização de parâmetros geométricos da pá para maximização da eficiência deste mesmo rotor. Um total de 27 casos para hélices foram avaliados, bem como 9 casos para turbinas eólicas. O presente método foi comparado com métodos tradicionais de aerodinâmica bem como com resultados de mecânica dos fluidos computacional, utilizando modelos κ − ω SST RANS. O presente método se mostrou capaz de prever os valores dos coeficientes e suas distribuições de maneira satisfatória com vantagens em relação ao demais métodos, pois evita erros e inconsistências relativas ao uso de funções de correção de ponta. Os valores dos coeficientes de tração e potência foram estimados com boa precisão, com erros entre a faixa de -2,5% e 6% para hélices e de 0,9% e 14,9%, para turbinas eólicas. Os resultados apontaram grande divergência na previsão das velocidades induzidas entre os métodos BEM e MVH devido aos desvios entre as previsões das funções de correção de efeitos de ponta e os valores calculados para o campo potencial devido à esteira helicoidal. Os resultados obtidos ratificam a inconsistência física dos modelos de correção de ponta reforçando a hipótese de que o cálculo do campo utilizando MVH é uma alternativa viável para projeto e análise de hélices e turbina eólicas.