Aerodynamic modelling and simulation of offshore wind turbines using actuator models (2023)
- Authors:
- Autor USP: OLIVEIRA, DANIEL FRANCISCONI - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PNV
- Subjects: DINÂMICA DOS FLUÍDOS COMPUTACIONAL; TURBINAS
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: Há uma demanda crescente por fontes de energia renováveis no contexto do combate às mudanças climáticas, e a energia eólica desempenha papel fundamental na transição energética. Projetar grandes turbinas e otimizar parques eólicos depende da capacidade de modelar e simular a extração de energia do vento. Modelos atuadores têm sido amplamente usados para simular aerogeradores. Este trabalho investiga as capacidades do modelo de disco atuador (ADM) e do modelo de linha atuadora (ALM), usando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD). O objetivo é entender a influência de parâmetros numéricos, validar os modelos e analisar seus resultados para turbinas offshore. O ADM pode fornecer previsões precisas de potência e empuxo, além da dinâmica geral do escoamento, porém seu comportamento axissimétrico não é capaz de reproduzir o escoamento próximo ao rotor. Por outro lado, o ALM pode capturar as estruturas turbulentas na região da esteira próxima com maior fidelidade, apesar de o passo de tempo ser consideravelmente menor devido à restrição CFLtip, que limita a ponta da pá a percorrer até uma célula da malha em um passo de tempo, amentando o custo computacional, ainda abaixo de modelos blade-resolved. Com simulações LES (large eddy simulations), foi encontrada uma concordância muito boa entre o ALM e a teoria já bem estabelecida de Blade Element Momentum (BEM) para um fator de espalhamento fixado em 2.5 vezes o espaçamento da malha. Uma malha mais grosseira superestima as forças especialmente perto da ponta da pá, portanto, uma correção de ponta da pá melhoraria as previsões de potência e empuxo neste caso. Foi mostrado que o refino da malha ao longe do rotor não tem impacto na previsão de potência e empuxo de uma única turbina. Em relação às turbinas em configuraçãotandem, a importância da turbulência na condição de entrada e espaçamento entre turbinas foi avaliada para ADM com simulações RANS (Reynolds-averaged NavierStokes) e para ALM com gerador de turbulência sintético para LES. Intensidades de turbulência mais altas levaram a recuperação de esteira mais rápida e aumentaram a previsão de potência da turbina a jusante, sem considerar consequências estruturais. O espaçamento maior entre as turbinas também melhora a energia da turbina a jusante, no entanto, fica limitado à área do site. Os níveis de turbulência mostraram impacto importante na recuperação da esteira do primeiro aerogerador, mas pouco significativo para o segundo, mostrando que variáveis turbulentas na entrada teriam pouco impacto em uma terceira fileira de aerogeradores em configuração 5D. Para uma turbina eólica de 15 MW, aumentar o espaçamento entre turbinas de 5D para 10D elevou a potência da turbina a jusante em 40%. Por fim, análises da esteira foram feitas, e o ALM foi capaz de prever velocidades assimétricas devido à presença de camada limite atmosférica (ABL) e o sentido de rotação das pás.
- Imprenta:
- Data da defesa: 10.02.2023
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ABNT
OLIVEIRA, Daniel Francisconi. Aerodynamic modelling and simulation of offshore wind turbines using actuator models. 2023. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2023. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-17072023-103843/. Acesso em: 23 jan. 2026. -
APA
Oliveira, D. F. (2023). Aerodynamic modelling and simulation of offshore wind turbines using actuator models (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-17072023-103843/ -
NLM
Oliveira DF. Aerodynamic modelling and simulation of offshore wind turbines using actuator models [Internet]. 2023 ;[citado 2026 jan. 23 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-17072023-103843/ -
Vancouver
Oliveira DF. Aerodynamic modelling and simulation of offshore wind turbines using actuator models [Internet]. 2023 ;[citado 2026 jan. 23 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-17072023-103843/
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