Optimización Aerodinámica Concurrente de Alta Fidelidad Basada en Adjunto para Turbinas Eólicas
Autores: Batay, Sagidolla; Kamalov, Bagdaulet; Zhangaskanov, Dinmukhamed; Zhao, Yong; Wei, Dongming; Zhou, Tongming; Su, Xiaohui
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Optimización Aerodinámica Concurrente de Alta Fidelidad Basada en Adjunto para Turbinas Eólicas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Diseños de turbinas
Dinámica de fluidos computacional
Optimización del diseño
Aerodinámica
Dinámica estructural
Optimización del diseño multidisciplinario
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
Para evaluar nuevos diseños de turbinas, el sector de la energía eólica depende en gran medida de la dinámica de fluidos computacional (CFD). Para utilizar CFD en el proceso de optimización del diseño, donde enfoques de menor fidelidad como el momento del elemento de la pala (BEM) son más populares, se deben desarrollar nuevas herramientas para aumentar la precisión, ya que las últimas turbinas eólicas son más grandes y la aerodinámica y la dinámica estructural se vuelven más complejas. En el presente estudio, se introduce un nuevo enfoque de optimización de forma aerodinámica concurrente hacia la optimización del diseño multidisciplinario (MDO) que utiliza un solucionador de Navier-Stokes promediado por Reynolds junto con una metodología de optimización numérica. Se utiliza una herramienta de optimización de diseño multidisciplinario llamada DAFoam para la turbina NREL fase VI como geometría base. Se llevan a cabo optimizaciones de diseño aerodinámico en términos de cinco esquemas diferentes, a saber, forma de sección transversal, ángulo de paso, torsión, longitud de cuerda y optimización de dihedral. Puntualmente, se utiliza un generador de mallas comercial para crear las mallas numéricas. Dado que el enfoque adjunto depende en gran medida de la calidad de la malla, se emplearon hasta 17.8 millones de celdas de malla durante los procesos de convergencia de malla y validación de resultados, mientras que se utilizaron 2.65 millones de celdas de malla a lo largo de la optimización del diseño debido al costo computacional. El Optimizador No Lineal Escaso (SNOPT) se utiliza para el proceso de optimización en el solucionador adjunto. El par en la dirección tangencial es la función de mérito de la optimización y se logran excelentes resultados, lo que muestra la prometedora perspectiva de aplicar este enfoque para MDO transitorio. Este trabajo representa el primer intento de implementar DAFoam para la optimización del diseño aerodinámico de turbinas eólicas.
Descripción
Para evaluar nuevos diseños de turbinas, el sector de la energía eólica depende en gran medida de la dinámica de fluidos computacional (CFD). Para utilizar CFD en el proceso de optimización del diseño, donde enfoques de menor fidelidad como el momento del elemento de la pala (BEM) son más populares, se deben desarrollar nuevas herramientas para aumentar la precisión, ya que las últimas turbinas eólicas son más grandes y la aerodinámica y la dinámica estructural se vuelven más complejas. En el presente estudio, se introduce un nuevo enfoque de optimización de forma aerodinámica concurrente hacia la optimización del diseño multidisciplinario (MDO) que utiliza un solucionador de Navier-Stokes promediado por Reynolds junto con una metodología de optimización numérica. Se utiliza una herramienta de optimización de diseño multidisciplinario llamada DAFoam para la turbina NREL fase VI como geometría base. Se llevan a cabo optimizaciones de diseño aerodinámico en términos de cinco esquemas diferentes, a saber, forma de sección transversal, ángulo de paso, torsión, longitud de cuerda y optimización de dihedral. Puntualmente, se utiliza un generador de mallas comercial para crear las mallas numéricas. Dado que el enfoque adjunto depende en gran medida de la calidad de la malla, se emplearon hasta 17.8 millones de celdas de malla durante los procesos de convergencia de malla y validación de resultados, mientras que se utilizaron 2.65 millones de celdas de malla a lo largo de la optimización del diseño debido al costo computacional. El Optimizador No Lineal Escaso (SNOPT) se utiliza para el proceso de optimización en el solucionador adjunto. El par en la dirección tangencial es la función de mérito de la optimización y se logran excelentes resultados, lo que muestra la prometedora perspectiva de aplicar este enfoque para MDO transitorio. Este trabajo representa el primer intento de implementar DAFoam para la optimización del diseño aerodinámico de turbinas eólicas.