Improved RANS methodology to quantify the aerodynamic impact of leading-edge roughness on thick wind turbine blades
La situación económica actual y la urgente transición energética hacia una producción de energía libre de emisiones de gases invernadero, pueden influir significativamente la toma de decisiones durante el proceso de diseño de las palas de los aerogeneradores. Según la literatura, una posible decisió...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad Pública de Navarra |
| Repositorio: | Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra |
| OAI Identifier: | oai:academica-e.unavarra.es:2454/47481 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/2454/47481 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Wind-turbine blades Leading-edge roughness Thick blades Equivalent sand-grain approach Turbulence modeling Flow separation Airfoil performance |
| Sumario: | La situación económica actual y la urgente transición energética hacia una producción de energía libre de emisiones de gases invernadero, pueden influir significativamente la toma de decisiones durante el proceso de diseño de las palas de los aerogeneradores. Según la literatura, una posible decisión basada en reducción de coste es el incremento del espesor de la pala desde mitad de esta hasta su punta, lo cual reduce el material compuesto empleado en la estructura de pala sin perder a su vez la rigidez necesaria para mantener la deflexión de la pala y sus cargas dentro de los límites aceptables. Este incremento de espesor de pala conlleva el uso de secciones transversales más gruesas cuya relación sustentación/resistencia aerodinámica es baja en comparación con secciones finas. Esto no conlleva un impacto significativo en la producción de energía siempre y cuando el estado superficial de la pala no afecte el flujo de aire. Sin embargo, el incremento del espesor de pala aumenta el gradiente adverso de presión a lo largo de la pala, lo cual hace que la aerodinámica sea más susceptible de ser afectada por estados de rugosidad superficial adversa, causados por suciedad o erosión entre otros muchos. Como resultado, la energía anual producida puede verse sustancialmente reducida. Para evitar esto, las palas gruesas deberían ser aerodinámicamente robustas para mantener la energía anual frente a los múltiples estados superficiales que toman lugar a lo largo de su vida útil. Sin embargo, la investigación en los efectos que supone la rugosidad en perfiles aerodinámicos se basa principalmente en perfiles de bajo espesor usados en las puntas de palas antiguas. Incluso para estos perfiles, las metodologías, tanto empíricas como numéricas para evaluar el impacto de la rugosidad en aerodinámica, no están estandarizadas. En cuanto a perfiles gruesos se refiere, el efecto de la rugosidad esta escasamente investigado y lo estudiado está basado en métodos tradicionales, los cuales no consideran todos los impactos aerodinámicos. Por lo tanto, esta tesis evalúa la validez de estos métodos en perfiles gruesos e investiga las adaptaciones necesarias para evaluar todos los efectos aerodinámicos causados por la rugosidad. Por ello, se selecciona un perfil aerodinámico del 30% de espesor máximo, basado en requisitos industriales como primer paso en la investigación. Este perfil es ensayado en un túnel de viento a unas condiciones de número de Reynolds de 3 millones. Estas medidas constituyen la base empírica para la validación de los métodos usados en esta tesis. En los ensayos se usan dos métodos, cintas de zig-zag y papel de lija, conllevando un impacto diferente en sustentación y en drag para ángulos de ataque positivos. El papel de lija provoca mayor pérdida en la eficiencia aerodinámica del perfil aerodinámico que las cintas de zig-zag, y amplifica las fluctuaciones de los coeficientes aerodinámicos una vez el flujo se separa a altos ángulos de ataque. La separación de flujo se ve promovida por la rugosidad en borde de ataque siendo el impacto aerodinámico más severo. Esta separación ocurre en la valva de succión a altos ángulos de ataque y en la valva de presión a bajos. Finalmente, la separación del aire en la valva de presión se demuestra equivalente para ambos métodos y con un comportamiento 2D tras ser confirmado por imágenes de termografía. El siguiente paso en la investigación es el modelado numérico del caso de papel de lija ensayado previamente. Se emplean para ello las condiciones de contorno más recientes y basadas en el método del grano equivalente de arena usando el modelo de turbulencia k-w-SST y simulaciones 2D-RANS. Esta tesis extiende el uso de estas condiciones de contorno a perfiles más gruesos que aquellos en los que fueron investigadas. Se usan dos tipos de condiciones de contorno, las desarrolladas por Wilcox y las desarrolladas por Aupoix, contribuyendo esta tesis con la primera aplicación en perfiles aerodinámicos de las condiciones de contorno de Aupoix. Se concluye que la principal limitación numérica es la falta de predicción de la separación de flujo. Esta limitación, ha sido reportada por la literatura sin tener en cuenta la rugosidad, pero se concluye que es incluso más relevante para perfiles rugosos. Con el fin de entender la limitación numérica, se desarrollanmedidas adicionales de túnel de viento en el mismo perfil aerodinámico, incluyendo medidas de PIV en la valva de presión. Estas medidas concluyen que el fallo numérico se debe al emplazamiento erróneo del pico de esfuerzos de Reynolds dentro de la capa límite. Como resultado, hay un exceso de momento cerca de la superficie del perfil y un consecuente retraso en la separación de flujo. Esta justificación se enunció numéricamente por la literatura, pero esta tesis la confirma empíricamente. Por lo tanto, se toman dos correcciones de la literatura, basadas en reducir la viscosidad turbulenta, que han sido solo validadas sin rugosidad. Según los resultados de esta tesis, las correcciones son capaces de corregir el pico de los esfuerzos de Reynolds y esta tesis lo valida por primera vez con medidas de PIV. Además, estas medidas, demuestran que el ratio a1 dentro de la capa límite no es constante y está por debajo del valor por defecto en el k −ω−SST . Aun así, un valor de 0,29 en el modelo numérico se concluye como valor adecuado para mejorar la predicción de la separación de flujo. Por último, las correcciones previamente validadas solo para un ángulo de ataque de 0 grados, son investigadas para un rango de −20 a 20 grados y en otros dos perfiles aerodinámicos adicionales con espesores máximos del 25% y 18 %. El valor de a1 se estima para cada uno de estos ángulos y por cada valva de los perfiles. Un valor específico de a1 por ángulo de ataque y valva de perfil se concluye mientras la literatura está usando actualmente un único valor por todo tipo de perfil y todos los ángulos de ataque. Como resultado de la investigación realizada, se sugiere una nueva metodología para diferenciar a1 por cada valva del perfil aerodinámico y ángulo de ataque, remarcando así la necesidad de encontrar una relación de a1 con alguna magnitud del fluido. Tras emplear esta metodología en un modelo aeroelástico de un aerogenerador, se replican las distribuciones de cargas y potencia de la pala, mientras que la metodología previa a esta tesis, ofrece una distribución de cargas y potencia erróneas, con una subestimación de la energía anual producida del 2,5%. |
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