Vórtices helicoidais : modelo, aplicação e o problema do fator de ponta em hélices e turbinas eólicas
Carregando...
Arquivos
Data
Autor(es)
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Ricardo Poley Martins Ferreira
Paulo Alexandre Costa Rocha
Eduardo Bauzer Medeiros
Guilherme de Souza Papin
Carla Freitas de Andrade
Paulo Alexandre Costa Rocha
Eduardo Bauzer Medeiros
Guilherme de Souza Papin
Carla Freitas de Andrade
Resumo
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.
Abstract
The helical vortex method has been research topic mainly due to the growth in the use of clean
energy, especially wind energy, as it reliably and robustly represents the wake downstream of
wind turbines. The model originated in aeronautics in the 1930s, having been little used in
propeller design. In this work, revisiting this method, as well as a reviewing research on the
subject was made, contributing to the methods evaluation for calculating the performance of
propellers and wind turbines. The work sought to validate the hypothesis that it is possible
to mitigate performance prediction errors by replacing the use of tip correction factors with
the effective calculation of aerodynamic conditions at each position along the blade through
the use of the helical vortex technique, removing the consideration of independent elements,
such as those used in traditional methods based on Blade Element-Momentum (BEM). An
application methodology was detailed and validated by determining the circulation distribution for optimal efficiency in cases of a rotor with an infinite number of blades and zero drag;
infinite number of blades in the presence of drag; finite number of blades and zero drag; and,
finite number of blades in the presence of drag. Still in the method validation stage, the
performance of a previously tested rotor was calculated and results from the optimization
of the blade’s geometric parameters were presented to maximize the efficiency of this same
rotor. A total of 27 cases for propellers were evaluated, as well as 9 cases for wind turbines.
The present method was compared with traditional aerodynamic methods as well as with
computational fluid mechanics results, using κ − ω SST RANS models. The present method
proved capable of predicting the values of the coefficients and their distributions in a satisfactory manner, with advantages over other methods, as it avoids errors and inconsistencies
related to the use of tip correction functions. The values of the thrust and power coefficients
were estimated with good precision, with errors between the range of -2.5% and 6% for propellers and 0.9% and 14.9% for wind turbines. The results showed a large divergence in the
prediction of induced velocities between the BEM and MVH methods due to the deviations
between the tip effect correction functions predictions and the values calculated for the potential field due to the helical wake. The results obtained confirm the physical tip correction
models inconsistency, reinforcing the hypothesis that the field calculation using MVH is a
viable alternative for the design and analysis of propellers and wind turbines.
Assunto
Engenharia mecânica, Hélices, Turbinas, Energia eólica, Aerodinâmica, Métodos de simulação
Palavras-chave
Vórtice helicoidais, Hélices, Turbinas eólicas, Aerodinâmica, Métodos computacionais