Computational modeling of turbulent flows in wind turbines using immersed boundary and adaptive mesh refinement

The experiments made in the wind tunnel by NREL using (i) wind rotor profile s809 model and (ii) wind turbine are reproduced computationally in the present work with the objectives of (i) performing a graphical survey of the coefficient lift and drag as a function of the angle of attack and (ii) obtain the low-speed shaft torque and mechanical power as a function of wind speed and analyze the wind velocity profiles in the wake zone using computational probes. The dynamic refinement mesh was used to reduce the computational cost, and the immersed body methodology was employed to represent the solid body immersed in the flow. All the simulations were perform using the in-house software MFSIM. The turbulence closure models employed were the standard k − e and Spalart-Allmaras. In general, the aerodynamic results to the airfoil showed a good accord with the reference’s data. For the wind turbine, the aerodynamic results for the torque and hence mechanical power were satisfactory from U = 10m/s, in U = 7m/s both models diverged from the experimental test. For the computational probes, the results indicated that in the first probes downstream the wind turbine and in the aerodynamic region of the wind rotor closer to the blade root were the locals where the velocities deficits were more intense for both turbulence closure models.Dissertação (Mestrado)Os experimentos em túnel de vento realizados pela NREL utilizando-se (i) um perfil de rotor eólico modelo s809 e (ii) uma turbina eólica são reproduzidos computacionalmente no presente trabalho com os objetivos de (i) realizar o levantamento gráfico do coeficiente de sustentação e arrasto em função do ângulo de ataque e (ii) obter o torque e potência mecânica em função da velocidade do vento e fazer o levantamento gráfico do deficit de velocidade do vento na região da esteira da turbina eólica utilizando-se sondas numéricas. A técnica de refinamento dinâmico adaptativo foi empregada para a diminuição do custo computacional sem comprometer a qualidade dos resultados e a metodologia da fronteira imersa foi utilizada para representar o corpo sólido imerso no escoamento. Todas as simulações computacionais foram desenvolvidas usando o software interno MFSim. Em ambos os casos, os modelos de fechamento da turbulência escolhidos foram k −e padrão e Spalart-Allmaras. De uma maneira geral, os resultados para os escoamentos sobre o aerofólio mostraram uma boa concordância com o experimento material e para a turbina eólica os resultados aerodinâmicos tornaram-se satisfatórios a partir de U = 10 m/s, sendo que em U = 7 m/s todos os modelos divergem do ensaio material. Para as sondas computacionais, em síntese, os resultados indicam que, na primeira sonda a jusante da turbina eólica e nas regiões mais próximas à raiz do rotor são os locais em que os deficit de velocidades são mais intensos para ambos os modelos de fechamento da turbulência