Análise metodológica da aplicação dos modelos de turbulência para simulações de escoamentos em perfis aerodinâmicos

Abstract

Devido à expansão do mercado de energia eólica e, consequentemente, a expectativa de que aerogeradores cada vez mais potentes sejam projetados ao longo dos próximos anos, estudos mais detalhados com relação ao projeto destas máquinas precisam ser elaborados. Atualmente, há projetos de pás de turbinas eólicas com até 107 metros de comprimento, visando ter uma maior área de rotor – viabilizando uma maior área de extração de energia. Contudo, apenas aumentar o tamanho das pás não se torna uma ferramenta viável, pois gera custos adicionais com materiais e mais cargas dinâmicas. É preciso se aprimorar cada vez mais nos métodos de controle e na aerodinâmica das pás. O estudo da aerodinâmica das pás começa com um adequado projeto dos aerofólios. Este trabalho apresenta uma análise da aplicação dos modelos de turbulência para simulação em dinâmica dos fluidos computacional de perfis aerodinâmicos presentes em pás de aerogeradores. O software comercial FLUENT Ansys® foi utilizado para simular um escoamento incompressível sob regime permanente sobre três aerofólios NREL, projetados para serem utilizados em pás de turbinas eólicas. Cinco diferentes ângulos de ataque foram utilizados, visando simular o escoamento até a região de pós-estol. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas. As simulações foram conduzidas para dois modelos de turbulência, o Spalart-Allmaras e o k-ω/SST (Shear Stress Transport). Os resultados obtidos – os coeficientes de arrasto e sustentação – são comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. É utilizada a Raiz do Erro Quadrático Médio para verificar qual modelo apresentou melhor acurácia. É mostrado que o modelo Spalart-Allmaras apresentou melhores resultados para ângulos de ataque de até 10 graus, e obteve os menores erros para o coeficiente de arrasto, enquanto que o k-ω/SST apresentou os melhores resultados globais, quando se avalia toda a faixa de ângulos simulados, e apresentou melhores os resultados para ângulos de ataque acima de 10 graus, para o coeficiente de sustentação.