Estudo das estruturas turbulentas de grande escala no escoamento separado sobre uma seção de pá de turbina eólica, utilizando abordagem DES

Abstract

O comportamento aerodinâmico de seções de asas rotativas, especialmente próximas à raiz, difere significativamente daquele esperado para aerofólios fixos devido aos efeitos combinados das forças inerciais (Coriolis e centrífugas) e das forças aparentes. Esses efeitos resultam em um aumento substancial da sustentação, conhecido como aumento rotacional. A região da raiz das pás, onde esses efeitos são mais pronunciados ainda não é completamente compreendida. Este trabalho tem como objetivo investigar, por meio de simulações numéricas utilizando a abordagem Detached-Eddy Simulation (DES), o impacto da extensão do domínio na direção z e os efeitos da rotação nas características aerodinâmicas, bem como no desenvolvimento de grandes estruturas turbulentas na região de separação do escoamento sobre o aerofólio NREL S809, típico de pás de turbinas eólicas. O modelo de turbulência k-ω SST foi selecionado por sua capacidade de capturar com precisão os fenômenos turbulentos em regiões de separação, comuns em perfis aerodinâmicos de turbinas eólicas. Embora a hipótese de homogeneidade do escoamento na direção da envergadura não seja adequada para capturar o bombeamento centrífugo, ela permite uma análise detalhada dos mecanismos fundamentais responsáveis pelo aumento rotacional. O método adotado revelou a presença de estruturas turbulentas, como a instabilidade de Kelvin-Helmholtz, no escoamento sobre o aerofólio. A formação de vórtices associados a essa instabilidade gerou regiões de baixa pressão no extradorso do aerofólio, contribuindo para os picos nos valores dos coeficientes de arrasto (Cd) e sustentação (Cl). A inclusão do efeito de rotação no modelo levou a um aumento no Cl, atribuído ao fenômeno de aumento rotacional. Além disso, observou-se um retardamento no descolamento da camada limite e uma redução na região de recirculação, indicando uma maior estabilidade do escoamento.

The aerodynamic behavior of rotating wing sections, especially near the root, differs significantly from that expected for fixed airfoils due to the combined effects of inertial forces (Coriolis and centrifugal) and apparent forces. These effects result in a substantial increase in lift, known as rotational augmentation. The root region of the blades, where these effects are most pronounced, is still not fully understood. This work aims to investigate, through numerical simulations using the Detached-Eddy Simulation (DES) approach, the impact of domain extension in the z direction and the effects of rotation on the aerodynamic characteristics and the development of large turbulent structures in the separation region of the flow over the NREL S809 airfoil, typical of horizontal-axis wind turbine blades. The k-ω SST turbulence model was chosen for its ability to accurately capture turbulent phenomena in separation regions, which are common in aerodynamic profiles of wind turbine blades. Although the assumption of homogeneity of the flow in the spanwise direction is not suitable for capturing centrifugal pumping, it allows for a detailed analysis of the fundamental mechanisms responsible for rotational augmentation. The adopted method revealed the presence of turbulent structures, such as the Kelvin-Helmholtz instability, in the flow over the airfoil. The formation of vortices associated with this instability generated low-pressure regions on the airfoil upper surface, contributing to the peaks in the drag (Cd) and lift (Cl) coefficients. The inclusion of rotational effects in the model resulted in an increase in the Cl, attributed to the rotational augmentation phenomenon. Additionally, a delay in boundary layer separation and a reduction in the recirculation region were observed.