Modelagem CFD de esteiras em turbinas eólicas de eixo horizontal e vertical para um parque eólico usando o método de linha atuadora (ALM)

Abstract

Aenergia eólica tem se destacado como uma das fontes de energia renovável mais promissoras, impulsionada pela necessidade global de reduzir emissões de gases de efeito estufa. Apesar desse crescimento, os parques eólicos enfrentam desafios significativos, como o impacto das esteiras geradas pelas turbinas, que podem comprometer a eficiência energética e a segurança operacional. Este estudo aborda esses desafios através da implementação de um modelo robusto de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), utilizando o Método de Linha do Atuador (ALM), para simular as esteiras geradas por turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWTs) e de eixo vertical (VAWTs). O modelo foi validado por comparação com dados experimentais obtidos em túneis de vento e com resultados de simulações numéricas de referência (e.g., ALM-LES e ADM-RANS) para fazendas eólicas existentes, como a fazenda eólica offshore Horns Rev. Omodelo foi implementado no software OpenFOAM, utilizando o modelo de turbulência k-ε, e a análise de convergência da malha foi realizada por meio do Índice de Convergência de Malha (GCI). Os resultados demonstraram excelente concordância com dados experimentais e estudos anteriores, evidenciando a precisão do modelo na reprodução de comportamentos turbulentos e vorticidades nas esteiras das turbinas. Adicionalmente, o modelo apresentou uma notável redução no custo computacional em relação a abordagens CFD que discretizam geome tricamente as pás; essa eficiência, quantificada neste estudo por meio de uma métrica de custo computacional normalizada e comparada com referências da literatura, destaca a significativa vantagem da metodologia empregada. Os resultados comparativos entre HAWTs e VAWTs revelaram diferenças significativas no tamanho e comportamento das esteiras, implicando que as estratégias de arranjo em parques eólicos devem ser distintas para cada tipologia, considerando o desenvolvimento diferenciado das esteiras e seu impacto nas turbinas a jusante. Particularmente para VAWTs, o agrupamento em clusters emerge como uma consideração crucial no design. Conclui-se que a implementação do ALM com modelos RANS (k-ε) constitui uma ferramenta eficiente para investigar estes fenômenos, viabilizando estudos detalhados sobre a otimização de parques eólicos com diferentes tipos de turbinas.

Wind energy has stood out as one of the most promising renewable energy sources, driven by the global need to reduce greenhouse gas emissions. Despite this growth, wind farms face significant challenges, such as the impact of turbine-generated wakes, which can compromise energy efficiency and operational safety. This study addresses these challenges through the implementation of a robust computational fluid dynamics (CFD) model, using the Actuator Line Method (ALM), to simulate the wakes generated by horizontal-axis (HAWTs) and vertical axis wind turbines (VAWTs). The model was validated by comparison with experimental data obtained in wind tunnels and with results from reference numerical simulations (e.g., ALM-LES and ADM-RANS) for existing wind farms, such as the Horns Rev offshore wind farm. The model was implemented in the OpenFOAM software, using the k-ε turbulence model, and mesh convergence analysis was performed by means of the Grid Convergence Index (GCI). The results demonstrated excellent agreement with experimental data and previous studies, evidencing the model’s accuracy in reproducing turbulent behaviors and vorticities in the turbine wakes. Additionally, the model showed a notable reduction in computational cost compared to CFD approaches that geometrically discretize the blades; this efficiency, quantified in this study through a normalized computational cost metric and compared with references in the literature, highlights the significant advantage of the employed methodology. The comparative results between HAWTs and VAWTs revealed significant differences in the size and behavior of the wakes, implying that layout strategies in wind farms must be distinct for each typology, considering the differentiated development of the wakes and their impact on downstream turbines. Particularly for VAWTs, clustering emerges as a crucial design consideration. It is concluded that the implementation of ALM with RANS models (k-ε) constitutes an efficient tool to investigate these phenomena, enabling detailed studies on the optimization of wind farms with different types of turbines.