Características Aerodinámicas de un Solo Perfil Aerodinámico para las Aspas de Turbinas Eólicas de Eje Vertical y Predicción del Rendimiento de Turbinas Eólicas
Autores: Mitchell, Samuel; Ogbonna, Iheanyichukwu; Volkov, Konstantin
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Características Aerodinámicas de un Solo Perfil Aerodinámico para las Aspas de Turbinas Eólicas de Eje Vertical y Predicción del Rendimiento de Turbinas Eólicas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Turbinas eólicas
Aerodinámica
Perfil aerodinámico
Dinámica de fluidos computacional
Navier-Stokes promediado por Reynolds
Simulación de grandes remolinos
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CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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El diseño de turbinas eólicas requiere una profunda comprensión de su compleja aerodinámica, como el estancamiento dinámico de un solo perfil aerodinámico y los vórtices de flujo. El cálculo de las fuerzas aerodinámicas en la pala de la turbina eólica en diferentes ángulos de ataque (AOAs) es una tarea fundamental en el diseño de las palas. El cálculo preciso y eficiente de las fuerzas aerodinámicas (sustentación y resistencia) y la predicción del estancamiento de un perfil aerodinámico son tareas desafiantes. La dinámica de fluidos computacional (CFD) puede proporcionar una mejor comprensión de los flujos complejos inducidos por la rotación de las palas de las turbinas eólicas. Se lleva a cabo una simulación numérica para determinar las características aerodinámicas de un solo perfil aerodinámico en una amplia gama de condiciones. Se presentan los resultados de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS) y de la simulación de grandes remolinos (LES) del flujo sobre un solo perfil aerodinámico NACA0012 en una amplia gama de AOAs, desde baja sustentación hasta el estancamiento. Debido a la naturaleza simétrica de los perfiles aerodinámicos, y también para reducir el costo computacional, la simulación RANS se realiza en el dominio 2D. Sin embargo, se utiliza el dominio 3D para los cálculos de LES con condiciones de contorno periódicas en la dirección de la envergadura. Los resultados obtenidos se verifican y validan contra datos experimentales y computacionales de trabajos anteriores. Las comparaciones de los resultados de LES y RANS demuestran que el modelo RANS sobreestima considerablemente la sustentación y la resistencia del perfil aerodinámico en AOAs posteriores al estancamiento porque el modelo RANS no puede reproducir la difusión de vorticidad y la formación del vórtice. Los cálculos de LES ofrecen un buen acuerdo con las mediciones experimentales.
Descripción
El diseño de turbinas eólicas requiere una profunda comprensión de su compleja aerodinámica, como el estancamiento dinámico de un solo perfil aerodinámico y los vórtices de flujo. El cálculo de las fuerzas aerodinámicas en la pala de la turbina eólica en diferentes ángulos de ataque (AOAs) es una tarea fundamental en el diseño de las palas. El cálculo preciso y eficiente de las fuerzas aerodinámicas (sustentación y resistencia) y la predicción del estancamiento de un perfil aerodinámico son tareas desafiantes. La dinámica de fluidos computacional (CFD) puede proporcionar una mejor comprensión de los flujos complejos inducidos por la rotación de las palas de las turbinas eólicas. Se lleva a cabo una simulación numérica para determinar las características aerodinámicas de un solo perfil aerodinámico en una amplia gama de condiciones. Se presentan los resultados de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS) y de la simulación de grandes remolinos (LES) del flujo sobre un solo perfil aerodinámico NACA0012 en una amplia gama de AOAs, desde baja sustentación hasta el estancamiento. Debido a la naturaleza simétrica de los perfiles aerodinámicos, y también para reducir el costo computacional, la simulación RANS se realiza en el dominio 2D. Sin embargo, se utiliza el dominio 3D para los cálculos de LES con condiciones de contorno periódicas en la dirección de la envergadura. Los resultados obtenidos se verifican y validan contra datos experimentales y computacionales de trabajos anteriores. Las comparaciones de los resultados de LES y RANS demuestran que el modelo RANS sobreestima considerablemente la sustentación y la resistencia del perfil aerodinámico en AOAs posteriores al estancamiento porque el modelo RANS no puede reproducir la difusión de vorticidad y la formación del vórtice. Los cálculos de LES ofrecen un buen acuerdo con las mediciones experimentales.