Computational modeling of wind turbine wakes based on momentum sink

O presente estudo apresenta a proposta de um novo modelo para calcular a esteira aerodinâmica de turbinas eólicas de eixo horizontal com o auxílio de CFD, bem como a magnitude e a direção da velocidade de vento incidente sobre cada máquina, sem a necessidade de modificar a discretização do domínio. A nova metodologia baseia-se no modelo de disco atuador descrito por Burton et al., 2001, substituindo o disco por uma região volumétrica esférica, dentro da qual um sumidouro de quantidade de movimento é distribuído, representando a energia extraída pelo aerogerador. O modelo tradicional baseia-se no conhecimento prévio da velocidade de vento incidente sobre a máquina, no que diz respeito à sua magnitude e direção, enquanto o modelo desenvolvido é capaz de determinar tanto a magnitude quanto a direção da velocidade incidente por meio de um cálculo iterativo simples interno a cada iteração do modelo fluidodinâmico. Os resultados obtidos são muito satisfatórios e promissores para o cálculo de parques eólicos, pois se podem alterar as direções do vento global sem modificar a discretização do domínio. Esta característica é especialmente adequada para aplicação em parques eólicos sobre terrenos acidentados onde, para uma mesma magnitude e direção de vento global, o vento local pode tomar direções e velocidades variadas. As aplicações estudadas neste trabalho, no entanto, apresentam resultados e fatores de correção fortemente dependentes do software utilizado e, especialmente, da resolução da malha empregada na discretização do domínio.This study presents the proposal of a new model to calculate the aerodynamic wake of horizontal axis wind turbines with the help of CFD, as well as the magnitude and direction of the wind speed over each machine, without the need to modify the domain discretization. The new model is based on the actuator disc model described by Burton et al., 2001, replacing the disc by a spherical volumetric region where a momentum sink is distributed, representing the energy extracted by the turbine. The traditional model is based on prior knowledge of the wind speed over the machine with respect to its magnitude and direction, while the developed model is able to determine both the magnitude and the direction of the incident wind speed by a simple iterative procedure at each iteration of the fluid-dynamic model. The results are very satisfactory and promising for the calculation of wind farms, as the global wind directions may be changed without changing the domain discretization. This feature is especially suitable for application in wind farms over complex terrain, where one magnitude and direction of de global wind may lead to a wide range of local magnitudes and directions. Applications studied in this work, however, present results and correction factors heavily dependent on the software used, and especially on the mesh resolution used in the domain discretization