Inserção de Efeitos Térmicos na Modelagem de Recursos Eólicos via CFD. Leonardo de Lima Oliveira CTGAS-ER Instrutor de Educ. e Tec.

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Thiago Canário
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1 Inserção de Efeitos Térmicos na Modelagem de Recursos Eólicos via CFD Leonardo de Lima Oliveira CTGAS-ER Instrutor de Educ. e Tec. I

2 Dinâmica do escoamento do vento na Camada Limite Atmosférica (CLA) Complexidade da orografia do terreno Rugosidade do terreno Estratificação da atmosfera

3 Altura acima do solo (m) Altura a cima do solo [m] Influência da Estratificação da CLA Gradiente de temperatura com relação a altura Transferência de calor Modificação do perfil de velocidade Neutro Instável Estável Estável Instável Neutro , , , ,5 Temperatura potencial (k) Velocidade do Vento [m/s]

predominantemente turbulento; Atmosfera estável: A

4 Condições atmosféricas Atmosfera Instável: A temperatura potencial diminui com altura; Escoamento predominantemente turbulento; Atmosfera estável: A temperatura potencial aumenta com altura; Escoamento predominantemente laminar;

5 Lei de similaridade de Monin-Obukhov Perfil Logarítmico de velocidade: Perfil Logarítmico de temperatura potencial: U z = u κ ln z z 0 ψ m z L θ z = θ 0 + θ κ ln z z 0 ψ h z L ψ m 4.7 z = L z L ln 1+X2 2, L > 0 (atmosfera estável) 1+X 2 2 2tan 1 X + π, L < 0(atmosfera instável) 2 ψ h z 4.7, L > 0 (atmosfera estável) z = L 1 L 2ln z 2 2tan 1 X + π, L < 0 (atmosfera instável) 2 L 2 Onde X = 1 16 z L 1 4

6 OpenFOAM OpenFOAM é uma ferramenta de CFD de código aberto Programação em C++ orientada ao objeto U t + (U. )U.(ν U) = 1 ρ p Ventagens: Sintaxe amigável; Código fonte totalmente documentado; Grande variedade de aplicações e modelagens prontas para uso; Sem custo de licença; Desenvolvimento de aplicações específicas pela comunidade. ( ) fvm :: ddt (U) + fvm :: div (phi,u) - fvm :: laplacian (nu,u) == - fvc :: grad(p)

7 Modelagem da Camada Limite atmosférica em CFD As simulações em CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) se utilizam de métodos numéricos para resolução de problemas fluidodinâmicos; Equações governantes: ρ t ρ t +. ρv = 0 +. ρv V = p +. τ + ρg Modelo de turbulência k-ε: t ρk + x i ρku i = x j µ + µ t σ k k x j + G k + ρε t ρε + x i ρεu i = x j µ + µ t σ ε ε x j ε + C 1ε k G k C 2ε ρ ε2 k Equações de Richards and Hoxey (1993): u = u κ ln z+z 0 z 0 k = u 2 ε = u C μ κ z + z 0 3

Altura (m) Modelagem da Camada Limite atmosférica em CFD Parametrização da simulação Href: 35m Uref: 5 m/s z 0 : 0,03 m (uniforme) Domínio de 3,5 Km x 1 Km Terreno plano Condição neutra A simulação

8 Altura (m) Modelagem da Camada Limite atmosférica em CFD Parametrização da simulação Href: 35m Uref: 5 m/s z 0 : 0,03 m (uniforme) Domínio de 3,5 Km x 1 Km Terreno plano Condição neutra A simulação não apresentou equilíbrio no escoamento; Entrada Valores de perfil de velocidade variam sem a existência de uma variação do terreno ou rugosidade m 1000 m 2000 m 3000 m Saída Velocidade do vento (m/s)

Metodologia criada pelo Instituto FRAUNHOFER IWES Estudo sobre a modelagem A simulação depende fortemente das condições contorno; O modelo de turbulência domina a simulação depois de iniciada;

9 Metodologia criada pelo Instituto FRAUNHOFER IWES Estudo sobre a modelagem A simulação depende fortemente das condições contorno; O modelo de turbulência domina a simulação depois de iniciada; Geração perfis iniciais através de uma pré-simulação; Modificação da modelagem para inserção dos efeitos de temperatura: Consideração dos efeitos de flutuabilidade no solver e no modelo de turbulência escolhido; Modificação do tratamento de contornos de parede para reprodução dos perfis esperados pela lei de similaridade; Ajuste de condição de contorno das simulações de acordo com a condição atmosférica simulada.

10 Altura (m) Altura (m) Metodologia criada pelo Instituto FRAUNHOFER IWES Grande concordância entre o perfil calculado e o perfil modelado pela pré-simulação; Os perfis das propriedades k e ε não precisaram ser calculados como parâmetros iniciais Calculado Pré-simulado Velocidade do vento (m/s) A simulação final (3D) apresenta maior equilíbrio no escoamento resolvido; Entrada 500 m 1000 m 2000 m 3000 m Saída Velocidade do vento (m/s)

11 Metodologia criada pelo Instituto FRAUNHOFER IWES Inserção dos efeitos de temperatura: Consideração da Eq. de conservação da energia; Adição da flutuabilidade (buoyant force) no modelo de turbulência; Modificação do tratamento dos contornos de parede para cálculo da viscosidade cinemática turbulenta e da condutividade térmica turbulenta; Cálculo do número de Prandtl turbulento específico para cada condição atmosférica. Diferentes configurações de simulação para cada condição atmosférica. Requisitos de medição para inserção dos efeitos de temperatura: Cálculo do índice de instabilidade atmosférica (comprimento de Monin-Obukhov); Duas medições de temperatura em alturas diferentes; Um medição de temperatura + medição da componente vertical da velocidade do vento.

12 Condições de atmosfera instável

13 Condições de de atmosfera estável

Aplicação da metodologia Análise das medições para simulação de cada condição: Divisão das simulações por setores de direção do vento, através da análise da rosa dos ventos medida (por ocorrência ou

14 Aplicação da metodologia Análise das medições para simulação de cada condição: Divisão das simulações por setores de direção do vento, através da análise da rosa dos ventos medida (por ocorrência ou por energia); Divisão das simulações por períodos diurnos, através da analise do perfil diurno calculado pelas medições; Simulação de mais de uma velocidade do vento por setor, devido a modificação do perfil e vento para cada. Desenvolvimento de ferramenta pra compilação de resultados de todas as simulações, considerando a frequência de ocorrência de velocidade, direção do vento e duração do período.

15 Considerações Finais A inserção dos efeitos de temperatura contribuem para uma modelagem mais completa da dinâmica do escoamento do vento; Quando bem configurada, a simulação em CFD pode gerar resultados mais robustos, contribuindo para uma melhor análise do vento do local; A metodologia Fraunhofer IWES consegue garantir o equilíbrio esperado pela dinâmica do escoamento e reproduzir os perfis de velocidade do vento esperados para cada condição atmosférica; São necessárias medições complementares (mais de um nível de medição de temperatura ou medição da componente vertical do vento), para cálculo do índice de instabilidade atmosférica; A inserção dos efeitos de temperatura podem contribuir para avaliações (micrositing, cálculo de produção anual e preço do MW/h) mais confiáveis.

16 Leonardo de Lima Oliveira

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