Simulações computacionais de escoamentos sobre pás de turbinas eólicas de eixo vertical utilizando em conjunto os métodos pseudoespectral de Fourier e o da fronteira imersa

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dc.contributor.advisor1Mariano, Felipe Pamplona
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4538460201961283pt_BR
dc.contributor.referee1Mariano, Felipe Pamplona
dc.contributor.referee2Silva, Ana Lucia Fernandes de Lima e
dc.contributor.referee3Silveira Neto, Aristeu da
dc.creatorMonteiro, Lucas Marques
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5062459819730618pt_BR
dc.date.accessioned2023-04-10T12:34:31Z
dc.date.available2023-04-10T12:34:31Z
dc.date.issued2023-02-27
dc.description.abstractChanges in climate behavior over the years, accompanied by a strong increase in energy demand by countries around the world, have led authorities and researchers to improve the search for renewable, clean energy sources with low environmental impact. The development of vertical axis wind turbines is an assertive and efficient option, especially in places with low wind speeds and unavailability of large spaces. Then, the present work presents and analyzes the main fluid dynamic aspects related to vertical axis wind turbines. The objective is to investigate and estimate the performance parameters, as well as to evaluate the flow dynamics on these machines. For this, it is proposed to verify the applicability of the IMERSPEC methodology, responsible for numerical and computational modeling of these flows. It is a high-order convergence methodology with low computational cost, when compared to other high-order methodologies, resulting from the coupling of the Fourier pseudospectral method and the immersed boundary method. The imposition of the rotational movement on the turbine blades is guaranteed by a specific subroutine, implemented from a mathematical model, developed and presented in the present work. This subroutine, added to the computational platform together with the IMERSPEC methodology, contemplates the fluid-structure interaction between the turbine and the flow, allowing the estimation of performance coefficients, such as power, torque, normal force, tangential force, lift force and drag force. Initially, to validate the proposed methodology, two-dimensional flow simulations are carried out on a NACA 0012 airfoil for a Reynolds number equal to 1000. From the proposed numerical simulations, convergence and good agreement of the results presented in relation to the reference works are obtained. The behavior of the flow over the airfoil and the different modes of formation of the wakes are evaluated by the fields of velocity, pressure and vorticity, as a function of the angle of attack. Furthemore, to verify the accuracy and potentiality of the IMERSPEC methodology, an analysis is performed, therefore, for fluid dynamic problems in vertical axis turbines, still two-dimensional. The solidity of the turbine is investigated through the simulation of flows over turbines with one and three blades, composed by the airfoil NACA 0015. It also presents the influence of increasing the Reynolds number, between 100 and 1000, for flows over turbines of a single blade. In general, the results presented guarantee, with reliability and physical coherence, the applicability of the methodology in two-dimensional flows of this type.eng
dc.description.provenanceSubmitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2023-04-06T19:38:13Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Marques Monteiro - 2023.pdf: 54947159 bytes, checksum: 267e13ea0a57d088fead0c6521795332 (MD5) license_rdf: 805 bytes, checksum: 4460e5956bc1d1639be9ae6146a50347 (MD5)en
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dc.description.resumoAs mudanças no comportamento climático ao longo dos anos, acompanhadas de um forte aumento da demanda energética pelos países do mundo, têm levado autoridades e pesquisadores à uma crescente busca por fontes de energia renovável, limpa e de baixo impacto ambiental. O desenvolvimento de turbinas eólicas de eixo vertical mostra-se uma opção assertiva e eficiente, sobretudo, em locais de baixas velocidades de vento e indisponibilidade de grandes espaços. Nesse sentido, no presente trabalho são apresentados e analisados os principais aspectos fluidodinâmicos relacionados às turbinas eólicas de eixo vertical. Objetiva-se, investigar e estimar os parâmetros de desempenho, bem como avaliar a dinâmica dos escoamentos sobre essas máquinas. Para isso, propõe-se verificar a aplicabilidade da metodologia IMERSPEC, responsável pela modelagem numérica e computacional desses escoamentos. Trata-se de uma metodologia de alta ordem de convergência e baixo custo computacional, quando comparada com outras metodologias de alta ordem, resultado do acoplamento do método pseudoespectral de Fourier e do método da fronteira imersa. A imposição do movimento rotativo sobre as pás da turbina é garantida por uma sub-rotina específica, implementada à partir de um modelo matemático, desenvolvido e apresentado no presente trabalho. Essa sub-rotina, adicionada à plataforma computacional em conjunto com a metodologia IMERSPEC, contempla a interação fluido-estrutura entre a turbina e o escoamento, possibilitando a estimativa de coeficientes de desempenho, tais como, potência, torque, força normal, força tangencial, força de sustentação e força de arrasto. Inicialmente, para validar a metodologia proposta são realizadas simulações de escoamento bidimensional sobre um aerofólio NACA 0012 para número de Reynolds igual a 1000. Das simulações numéricas propostas, obtém-se convergência e boa concordância dos resultados apresentados em relação aos trabalhos de referência. O comportamento do escoamento sobre o aerofólio e os diversos modos de formação das esteiras são avaliados pelos campos de velocidade, pressão e vorticidade, em função do ângulo de ataque. Além disso, para verificar a acurácia e a potencialidade da metodologia IMERSPEC, uma análise é realizada, portanto, para problemas fluidodinâmicos em turbinas de eixo vertical, ainda bidimensional. A solidez da turbina é investigada através da simulação de escoamentos sobre turbinas de uma e três pás, compostas pelo aerofólio NACA 0015. Apresenta-se, ainda, a influência do aumento do número de Reynolds, entre 100 e 1000, para escoamentos sobre turbinas de uma única pá. De modo geral, os resultados apresentados garantem, com acurácia e coerência física, a aplicabilidade da metodologia em escoamentos bidimensionais dessa natureza.pt_BR
dc.description.sponsorshipOutropt_BR
dc.identifier.citationMONTEIRO, L. M. Simulações computacionais de escoamentos sobre pás de turbinas eólicas de eixo vertical utilizando em conjunto os métodos pseudoespectral de Fourier e o da fronteira imersa. 2023. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/12745
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentEscola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação - EMC (RMG)pt_BR
dc.publisher.initialsUFGpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Mecânicapt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectTurbinas eólicas de eixo verticalpor
dc.subjectAerofóliopor
dc.subjectMétodo da fronteira imersapor
dc.subjectMétodo pseudoespectral de Fourierpor
dc.subjectVertical axis wind turbineseng
dc.subjectAirfoileng
dc.subjectImmersed boundary methodeng
dc.subjectFourier pseudospectral methodeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICApt_BR
dc.titleSimulações computacionais de escoamentos sobre pás de turbinas eólicas de eixo vertical utilizando em conjunto os métodos pseudoespectral de Fourier e o da fronteira imersapt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR

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