Numerical modeling and simulation of horizontal axis offshore wind turbines.

À medida que a demanda global de energia aumenta, resultando em preocupações com poluição ambiental e crises energéticas, o uso de fontes renováveis de energia tem sido incentivado para reduzir os impactos causados pelo uso de combustíveis fósseis. Entre as fontes renováveis, a energia eólica offshore é uma solução promissora para contribuir para o fornecimento de energia devido a vários benefícios, incluindo velocidades do vento mais altas e consistentes em comparação com locais em terra. Turbinas eólicas offshore são normalmente maiores do que turbinas onshore, e para melhorar a eficiência e confiabilidade destes grandes equipamentos, simulações numéricas se tornaram uma ferramenta essencial para prever o comportamento aerodinâmico da turbina eólica em escala real sob diferentes condições de vento, devido às limitações dos testes experimentais em representar as condições de operação do sistema. Desde a primeira simulação de alta resolução dos escoamento ao redor das pás de uma turbina eólica, diversas pesquisas considerando diferentes metodologias numéricas têm sido realizadas para compreender os efeitos aerodinâmicos tridimensionais transientes nas pás do rotor. A adequação de cada método numérico é determinada com base no objetivo específico de cada análise. Para investigar a geometria completa da turbina eólica, incluindo uma alta resolução da geometria das pás simulações que resolvem o escoamento ao redor das pás da turbina são cruciais para aprimorar a capacidade de prever a aerodinâmica da turbina eólica. Embora a metodologia de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tenha sido comprovada como eficaz para avaliar o comportamento aerodinâmico transiente do escoamento ao redor das pás da turbina eólica, bem como a geração de vórtices que formam a sua esteira, apenas algumas investigações usando tal método consideraram a geometria da turbina eólica em seu tamanho real de protótipo em escala de megawatts, devido à complexidade da simulação numérica e dos recursos computacionais necessários. Portanto, para maximizar a confiabilidade da metodologia de CFD como ferramenta no desenvolvimento de turbinas eólicas offshore, esta tese fornece uma base sólida sobre o impacto substancial dos métodos numéricos considerados no setup das simulações na precisão dos resultados obtidos e nos custos computacionais associados. As análises foram feitas para duas turbinas eólicas teóricas para aplicações offshore, a NREL 5 MW e a IEA 15 MW.As global energy demand continues to increase, resulting in concerns over environmental pollution and energy crises, the use of renewable energy sources of energy has been encouraged to reduce the impacts caused by the use of fossil fuels. Among the renewable sources, offshore wind energy is a promising solution to contribute to energy supply due to several benefits, including higher and more consistent wind speeds compared to onshore locations. Offshore wind turbines are typically larger than onshore turbines, and to improve the efficiency and reliability of these large machines, numerical simulations have become an essential tool to predict the aerodynamic behavior of the full-scale wind turbine under different wind conditions, due to the limitations of experimental tests in representing the operating conditions of the system. Since the first high-resolution simulation of the flow around the wind turbine blades, extensive research considering different numerical methodologies have been conducted to understand the transient three-dimensional aerodynamic effects on the rotor blades. The suitability of each numerical method is determined based on the specific objectives of each analysis. To investigate the complete geometry of the wind turbine, including a high resolution of the blade geometry, simulations that resolve the flow around the turbine blades are crucial to enhance the ability to predict the wind turbine aerodynamics. Although the computational fluid dynamics (CFD) methodology has been proven effective in evaluating the transient aerodynamic behavior of the flow around wind turbine blades and generated wakes, only a few investigations using such method have considered the geometry of the full-scale prototype wind turbine in megawatt scale, due to the complexity of the numerical simulations and computational resources required. Therefore, to maximize the reliability of CFD methodology as a tool in offshore wind turbine development, this thesis provides a solid basis on the substantial impact of the numerical methods considered in the simulation setup on the accuracy of the results of the simulations and the associated computational costs. The analyses were conducted for two theoretical offshore wind turbines, the NREL 5 MW and IEA 15 MW