Efeito da aceleração de Coriolis sobre o campo de vorticidade no escoamento separado em uma seção de pá de turbina eólica

Abstract

A rotação é conhecida por reduzir o volume da região de escoamento separado em seções próximas à raiz de pás de turbina eólica de eixo horizontal. Essa redução é frequentemente atribuída ao bombeamento centrífugo. No entanto, recentes investigações acerca da estabilização rotacional de vórtices de bordo de ataque sugerem que o transporte radial de vorticidade pode não ser o mecanismo dominante que limita a circulação do vórtice em seções próximas à raiz de asas de inseto. Para tal condição de escoamento a baixo Reynolds, o efeito da componente tangencial da força de Coriolis destrói a componente radial da vorticidade, limitando o crescimento do vórtice de bordo de ataque, estabilizando-o. Entretanto, com o melhor conhecimento do autor, a contribuição de tal fenômeno para o aumento rotacional observado em turbinas eólicas ainda não foi avaliado. Simulações quasi-3D foram empregadas a fim de investigar o papel da aceleração de Coriolis para o balanço da componente radial da vorticidade dentro da região de escoamento separado no extradorso de seções de pá de turbina eólica a elevados ângulos de ataque. É mostrado que o efeito integrado da taxa de destruição da componente radial da vorticidade devido à aceleração de Coriolis pode ser comparável à taxa da componente radial da vorticidade fluindo na região de recirculação a partir da camada limite. Além disso, os resultados sugerem que o mecanismo pode ser relevante para o aumento rotacional observado em seções próximas à raiz de pás de turbinas eólicas.

The rotation is known to reduce the volume of the region of separated flow on inboard sections of horizontal-axis wind turbine blades. This reduction is frequently attributed to the centrifugal pumping. However, recent investigations on the rotational stabilization of leading-edge vortex suggest that the radial transport of vorticity may not be the dominant mechanism limiting the vortex circulation on inboard sections of insect wings. For such low-Reynolds flow condition, the effect of the tangential component of the Coriolis force destroys the radial vorticity, limiting the growth of the leading-edge vortex, stabilizing it. However, to the best knowledge of the author, the contribution of such phenomenon to the rotational augmentation observed in wind turbines has not yet been assessed. Quasi-3D simulations were employed to investigate the role of the Coriolis acceleration to the balance of span-wise vorticity within the region of separated flow on the upper surface of wind-turbine-blade sections at high angles of attack. It is shown that the integrated effect of the destruction rate of radial vorticity due to Coriolis acceleration may be comparable to the rate of radial vorticity flowing in the recirculation region from the boundary layer. Moreover, the results suggest that the mechanism may be relevant to rotational augmentation observed in inboard sections of wind-turbines blades.