Projeto hidrodinâmico de turbina hidrocinética por meio de simulação numérica computacional e técnicas de otimização

• Autor(a) principal: Labigalini, Luan Cavalari
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25345
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA; Hidrodinâmica; Turbinas hidráulicas; Simulação (Computadores); Otimização matemática; Hydrodynamics; Hydraulic turbines; Computer simulation; Mathematical optimization

Mini turbinas eólicas e turbinas hidrocinéticas são formas acessíveis de descentralizar a geração de energia a partir de recursos renováveis. A fim de melhor aproveitar essas fontes disponíveis e projetar futuros equipamentos mais eficientes, este trabalho visa desenvolver uma otimização de layout de uma turbina hidrocinética. Primeiramente, o método Blade Element Momentum (BEM) é aplicado para validar os modelos aerodinâmicos da literatura com dados experimentais. É pretendido replicar o funcionamento e o desempenho da turbina. As curvas de potência e empuxo foram reproduzidas de acordo com a variação da razão de velocidades de ponta. Depois, tal previsão fora submetida a algoritmos metaheurísticos baseados no comportamento da natureza, com intuito de encontrar os melhores parâmetros de projeto para um ambiente hipotético sujeito à demanda de eletricidade de uma única pessoa. A otimização foi realizada em relação à potência e à inércia das pás, e as variáveis de entrada foram o diâmetro do rotor, o número de pás e a velocidade de rotação. A turbina desenvolvida foi simulada computacionalmente no formato de DFC, a fim de validar os resultados de torque. Em terceiro lugar, uma correção relativa ao coeficiente de arrasto e sustentação foi conduzida com base nos efeitos de solidez entre as pás. Ele foi construído a partir de parâmetros obtidos das simulações DFC de uma série de hidrofólios. Finalmente, uma protuberância foi adicionada à borda de ataque do hidrofólio com o objetivo de diminuir o arrasto e melhorar a sustentação. O efeito da cavitação foi levado em consideração e tentou ser evitado no cálculo de dimensionamento da corda. O algoritmo mais eficiente pôde encontrar uma turbina com um coeficiente de potência 18% menor que o Limite de Betz. O efeito de solidez promoveu 8,15% de diferença em comparação com o coeficiente de potência otimizado. A protuberância prejudicou o coeficiente de sustentação e arrasto e tornou possível o efeito de cavitação. Seu impacto na inércia das pás foi um aumento de 177,61%.