Análise numérica via CFD/Adjunto do desempenho de pás de turbinas eólicas devido a introdução de protuberâncias bioinspiradas nos bordos de ataque

Abstract

Este estudo teve como objetivo otimizar o perfil aerodinâmico de um aerofólio representativo de uma pá de turbina eólica de eixo vertical, com foco em aplicações em tecnologias offshore. Para isso, foi realizada uma análise computacional do escoamento sobre diferentes geometrias do perfil, comparando versões otimizadas e não otimizadas. Inicialmente, investigaram-se geometrias com protuberâncias bioinspiradas na nadadeira dorsal da baleia-jubarte, variando-se a amplitude e o comprimento de onda dessas estruturas. Dentre as configurações analisadas, a geometria 4S apresentou o melhor desempenho aerodinâmico e foi, posteriormente, otimizada por meio do método adjunto, em simulações bidimensionais e tridimensionais. A otimizaçãoo resultou em um aumento na razão entre os coeficientes de sustentação e arrasto. As simulações foram conduzidas no software OpenFoam, considerando o escoamento estacionário, incompressível e com velocidade de 7 m/s, com o objetivo de aprimorar o desempenho de perfis aerodinâmicos aplicáveis a turbinas eólicas no contexto do projeto OTIC (Offshore Technology Innovation Center ), voltado ao desenvolvimento de tecnologias para geração de energia em ambiente offshore. Como principais resultados, obteve-se um incremento de 88,7% no desempenho aerodinâmico da geometria 4S em regime laminar bidimensional, e de 39,04% para a mesma geometria em escoamento turbulento. Na análise tridimensional, o incremento foi de 73,3% para a geometria sem protuberâncias em regime laminar, e de 72,3% para a geometria 4S. Os resultados demonstram a eficácia da estratégia bioinspirada aliada à otimização adjunta na melhoria do desempenho aerodinâmico de perfis aplicáveis a turbinas eólicas em ambiente offshore.

This study aimed to optimize the aerodynamic profile of an airfoil representative of a vertical axis wind turbine blade, focusing on applications in offshore technologies. To achieve this, a computational analysis of the flow over different airfoil geometries was performed, comparing optimized and non-optimized versions. Initially, geometries with bioinspired protuberances, based on the humpback whale’s dorsal fin, were investigated by varying the amplitude and wavelength of these structures. Among the configurations analyzed, the 4S geometry exhibited the best aerodynamic performance and was subsequently optimized using the adjoint method, in both two-dimensional and three-dimensional simulations. The optimization resulted in an increase in the lift-to-drag coefficient ratio. The simulations were conducted using the OpenFoam software, considering steady, incompressible flow at a velocity of 7 m/s, with the aim of enhancing the performance of aerodynamic profiles applicable to wind turbines within the OTIC (Offshore Technology Innovation Center ) project, dedicated to the development of technologies for energy generation in offshore environments. The main results showed an 88.7% improvement in the aerodynamic performance of the 4S geometry under two-dimensional laminar flow conditions, and a 39.04% improvement for the same geometry in turbulent flow. In the three-dimensional analysis, an improvement of 73.3% was obtained for the geometry without protuberances under laminar conditions, and 72.3% for the 4S geometry. The results demonstrate the effectiveness of the bioinspired strategy combined with adjoint optimization in improving the aerodynamic performance of profiles applicable to wind turbines in offshor environments.