Conversão de energia cinética de turbulência por turbinas de eixo horizontal

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Reginaldo Nunes da
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48661
Resumo: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2023.
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spelling Conversão de energia cinética de turbulência por turbinas de eixo horizontalTurbinas eólicasTurbinas hidrocinéticasTurbulênciaTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2023.As fontes de energia eólica e hidrocinética têm um grande potencial para suprir as necessidades globais de energia, ao mesmo tempo em que ajudam a mitigar os problemas ambientais. Entre as tecnologias para a conversão de energia renovável, as turbinas de eixo horizontal são as mais avançadas. No entanto, ainda há lacunas de conhecimento quando se trata da influência da energia cinética da turbulência em seu desempenho. Esta tese tem como objetivo investigar a influência da turbulência característica no desempenho de uma turbina de eixo horizontal. Foram realizados estudos experimentais em túnel de vento e simulações numéricas utilizando a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Nos experimentos, um cilindro foi utilizado a montante da turbina para manter a velocidade média e alterar as flutuações de velocidade no plano do rotor. A potência do ventilador do túnel de vento foi regulada para que a velocidade média do plano do rotor com o cilindro fosse a mesma dos experimentos sem o cilindro. Os vórtices gerados pelo cilindro concentraram energia cinética da turbulência em uma frequência específica. Na modelagem numérica, foi utilizada a técnica de Large Eddy Simulation (LES) e as mesmas configurações dos experimentos foram replicadas computacionalmente. Foram analisados o escoamento médio, os espectros de pontos a montante e a jusante da turbina com e sem o cilindro. Além disso, foi feita uma análise espectral do torque e determinada toda a curva de potência com e sem o cilindro a montante. Também foi realizada uma análise do transporte de energia cinética da turbulência no volume de controle da turbina. Os resultados mostraram que a turbina converte energia cinética da turbulência quando esta é transportada por estruturas turbulentas com frequência igual à frequência de rotação da turbina. Quando as frequências são iguais, ocorre um pico na curva de potência (), indicando a existência de um mecanismo de conversão de energia cinética da turbulência em potência do eixo. A análise numérica identificou que isso ocorre devido à difusão de pressão no volume de controle durante a interação do rotor com as estruturas de grande escala que possuem a mesma frequência de rotação da turbina.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).Wind and hydrokinetic energy sources have great potential to meet global energy needs while helping to mitigate environmental problems. Among technologies for converting renewable energy, horizontal axis turbines are the most advanced. However, there are still gaps in knowledge when it comes to the influence of turbulence kinetic energy on energy conversion by horizontal axis turbines. This thesis aims to advance scientific knowledge regarding the mechanisms of conversion of kinetic energy of turbulence into mechanical energy, in horizontal axis rotors subjected to flows with high levels of turbulence intensity. Experimental studies were carried out in a wind tunnel and numerical simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD). In the experiments, a cylinder was used upstream of the turbine to maintain average speed and change speed fluctuations in the rotor plane. The power of the wind tunnel fan was adjusted so that the average speed of the rotor plane with the cylinder was the same as in the experiments without the cylinder. The vortices generated by the cylinder concentrated kinetic energy from the turbulence at a specific frequency. In the numerical modeling, the Large Eddy Simulation (LES) technique was used and the same configurations of the experiments were computationally replicated. The average flow, the spectra of points upstream and downstream of the turbine with and without the cylinder were analyzed. In addition, a spectral analysis of the torque was performed and the entire power curve was determined with and without the upstream cylinder. An analysis of the kinetic energy transport of turbulence in the turbine control volume was also carried out. The results showed that the turbine converts kinetic energy from turbulence when it is transported by turbulent structures with a frequency equal to the turbine rotation frequency. When the frequencies are the same, there is a peak in the power curve (Cp), indicating the existence of a mechanism for converting turbulence kinetic energy into shaft power. Numerical analysis identified that this occurs due to pressure diffusion in the control volume during the interaction of the rotor with the large-scale structures that have the same turbine rotation frequency.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasOliveira, Taygoara FelamingoSilva, Reginaldo Nunes da2024-07-09T20:20:48Z2024-07-09T20:20:48Z2024-07-092023-08-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfSILVA, Reginaldo Nunes da. Conversão de energia cinética de turbulência por turbinas de eixo horizontal. 2023. 133 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48661porA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-07-09T20:20:48Zoai:repositorio.unb.br:10482/48661Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-07-09T20:20:48Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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