Otimização de perfil aerodinâmico utilizando software livre e avaliação em turbinas eólicas de eixo vertical

O advento das simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) permitiu a investigação de um grande número de configurações a custo reduzido e com elevada reprodutibilidade, o que não era possível experimentalmente devido a limitações econômicas e logísticas. Porém, as simulações sofrem com a limitação de encontrar o melhor projeto automaticamente. Esta é a principal motivação para a combinação das simulações numéricas com técnicas de otimização. Este projeto de pesquisa propõe uma otimização baseada em gradiente de um perfil aerodinâmico com a razão sustentação-arrasto como função objetivo utilizando o método adjunto discreto para o cálculo dos gradientes a partir do software livre SU2. Para isso, adotam-se dois métodos de parametrização: funções Hicks–Henne e Free-Form Deformation. As simulações de dinâmica dos fluidos computacional do perfil são bidimensionais, incompressíveis e em regime permanente, utilizando o modelo de turbulência Spalart-Allmaras. Por fim, os perfis ótimos resultantes foram avaliados no caso específico de uma turbina eólica de eixo vertical, para a qual existem dados experimentais de túnel de vento, avaliando um possível ganho de eficiência na conversão de energia. Caso essa configuração de otimização resulte em perfis capazes de melhorar o desempenho de turbinas eólicas de eixo vertical, esse tipo de turbina poderá se beneficiar de uma metodologia de otimização com custo computacional significativamente inferior àquele das abordagens previamente empregadas. Os perfis ótimos obtidos a partir do método Hicks-Henne apresentaram valores maiores para a razão sustentação-arrasto em todas as configurações, atingindo um valor máximo de 33.26 contra 25.12 do Free-Form Deformation. Entretanto, os perfis gerados pelo Free-Form Deformation apresentaram geometrias consideravelmente mais suaves e factíveis, enquanto os demais perfis apresentaram deformações localizadas pronunciadas. Este fato está ligado à natureza de cada um dos métodos: enquanto o FFD promove ajustes globais e suavizados, o HH produz perturbações concentradas que podem gerar curvaturas abruptas ou ondulações indesejadas. Os perfis ótimos que apresentaram os melhores valores para a função objetivo foram avaliados na turbina eólica de eixo vertical. Nenhum dos candidatos superou a eficiência de conversão de energia da configuração de base, resultando em um valor máximo de coeficiente de potência de 0.193 para o perfil obtido pelo FFD contra 0.288 do NACA 0015. Estes resultados evidenciam que uma metodologia de otimização em condições estáticas para a razão sustentação-arrasto não é eficaz para maximizar a eficiência de turbinas eólicas de eixo vertical. O principal problema associado aos perfis ótimos é a baixa capacidade de resistirem à separação do escoamento, impactando negativamente a conversão de energia. Os resultados sugerem que abordagens futuras devem considerar os fenômenos intrínsecos do movimento rotativo deste tipo de turbina, como o estol dinâmico e interação entre pá e esteira.

Resumo (inglês)

The advent of computational fluid dynamics (CFD) simulations has enabled the investigation of a large number of configurations at reduced cost and with high reproducibility, which was not experimentally feasible due to economic and logistical constraints. However, simulations alone are limited in their ability to automatically identify the optimal design; this limitation is the primary motivation for coupling numerical simulations with optimization techniques. This research project proposes a gradient-based optimization of an airfoil, using the lift-to-drag ratio as the objective function and the discrete adjoint method, implemented in the open-source SU2 software, for gradient computation. Two geometric parametrization strategies are adopted: Hicks–Henne functions (HH) and Free-Form Deformation (FFD). The airfoil CFD simulations are two-dimensional, incompressible and steady-state, with turbulence modeled by the Spalart–Allmaras model. The resulting optimal airfoils were subsequently evaluated in the specific case of a vertical-axis wind turbine (VAWT) for which wind-tunnel experimental data are available, in order to assess potential gains in energy conversion efficiency. If this optimization configuration yields airfoils capable of improving VAWT performance, such turbines could benefit from an optimization methodology with computational cost significantly lower than that of previously employed approaches. The optimal airfoils obtained via the Hicks–Henne method exhibited higher lift-to-drag ratio values across all configurations, reaching a maximum of 33.26 versus 25.12 for the FFD. Nevertheless, the geometries produced by FFD were considerably smoother and more feasible, whereas the HH parametrization tended to generate pronounced localized deformations. This behavior is related to the nature of each method: FFD promotes global, smooth adjustments, while HH induces concentrated perturbations that can create abrupt curvatures or undesired waviness. The optimal airfoils that yielded the best objective function values were evaluated on the vertical-axis wind turbine. None of the candidates surpassed the baseline configuration in terms of energy-conversion efficiency, resulting in a maximum power coefficient of 0.193 for the FFD-derived airfoil versus 0.288 for the NACA 0015. These results indicate that a static optimization methodology based on the lift-to-drag ratio under steady conditions is not effective for maximizing VAWT efficiency. The main issue associated with the optimal airfoils is their limited ability to resist flow separation, which negatively impacts energy conversion. The findings suggest that future approaches should consider phenomena intrinsic to the rotating motion of this turbine class, such as dynamic stall and blade–wake interaction.

Palavras-chave

Otimização, Perfil aerodinâmico, Free-Form Deformation, Hicks-Henne, Método adjunto, Turbina eólica de eixo vertical

Idioma

Português

Citação

OKAMOTO, André Yudi Lima. Otimização de perfil aerodinâmico utilizando software livre e avaliação em turbinas eólicas de eixo vertical. 2026. 68 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista - UNESP, Ilha Solteira, 2026.