Uso de Difusores em Turbinas Hidrocinéticas e seu Impacto na Eficiência

ANDRÉ KUYUMJIAN LANE

MAURICIO SATOSHI KARASAWA TAMASHIRO

EM974-Métodos Computacionais em Engenharia Térmica e Ambiental

Motivação

Existe um grande incentivo na busca de geração de energia alternativa à utilização do petróleo

A medida em que novas formas de geração de energia vão surgindo, há um incentivo para torna-las mais eficientes

Máquinas axiais horizontais movidas a fluxo tem performance diretamente relacionada com a velocidade de escoamento.

Motivação

Uma das formas de aumentar a velocidade do escoamento em uma turbina, seja ela eólica ou hidrocinética, é a implementação de um difusor.

Motivação

Do ponto de vista econômico e construtivo, os difusores são componentes baratos e simples que podem melhorar a performance das turbinas onde estão instalados

Baseado em estudos no mesmo sentido realizado em outros países, procurou-se validar, através da simulação numérica com uso do software PHOENICS, a utilização de difusores em máquinas de fluxo e seu impacto qualitativo

O enfoque deste trabalho reside na avaliação da variação de velocidade do escoamento ocasionada pelo difusor, desconsiderando efeitos da presença da turbina

Modelo Físico No difusor há um desvio das linhas de corrente livre para seu

interior

Considerou-se um difusor de geometria particular: uma flange no plano de saída do escoamento.

Modelo Físico Esta simples modificação na geometria produz uma aceleração

do escoamento no eixo central maior que a esperada de um difusor sem flange

Isto ocorre devido a natureza fluidodinâmica do escoamento, em que a presença da aba ao final do escoamento ocasiona uma forte produção de vortex gerando uma região de baixa pressão o que aumenta o fluxo mássico através do plano da turbina

Modelo Físico Com a finalidade de diminuir o custo computacional e manter a

qualidade dos resultados, propõe-se uma geometria bidimensional e axissimétrica para representar o difusor

Geometria:• Diâmetro da entrada do difusor: • Largura da flange: • Comprimento do difusor: • Inclinação na geometria do difusor

Fluido do domínio:• Ar atmosférico a • Densidade: • Viscosidade: • Velocidade livre: • Número de Reynolds:

Modelo Computacional Devido as características do estudo optou-se pela criação de uma

malha do tipo BFC (Body Fitted Coordinates), com regiões (ou frames, denominados , com ) distintas no plano XY

Modelo Computacional Uma malha do tipo BFC é adequada para geometrias não

regulares, permitindo uma boa representação e economia no refinamento da malha para regiões de interesse

Modelo Computacional O domínio implementado no software foi dividido em uma malha

de 126 x 85 elementos

Modelo Computacional Refinou-se a malha nas regiões de interesse, onde é previsto

maior mudança no comportamento do escoamento

Resultados Numéricos A simulação apresentou convergência relativamente rápida, em

aproximadamente 1500 iterações

Além disso demonstrou baixos resíduos globais, conforme indicado no arquivo RESULT

Resultados Numéricos Na representação da velocidade na direção X é possível perceber

que o tamanho do domínio foi adequada para a geometria considerada

Resultados Numéricos Na distribuição da pressão é interessante notar a zona de baixa

pressão criada no interior do difusor

Resultados numéricos Conforme previsto, nas proximidades do difusor há um

estrangulamento das linhas de corrente, além da região de formação de vortex e consequente baixa pressão na saída.

Resultados Numéricos Analisando as variáveis de resíduo para velocidades (RESU e

RESV) e pressão (RESP) encontram-se no corpo do difusor e tem valores desprezíveis

Ativou-se a solução para distância adimensional (YPLS) para verificar se a escolha do número de elementos foi adequada, para isto o valor deve ser menor que 200, o que foi verificado

Análise dos Resultados A partir dos resultados é possível investigar a variável de

interesse (velocidade na direção X) ao longo do eixo central () e comparar com resultados de trabalhos experimentais

• Comparou-se três curvas de aumento de velocidade () versus posição (): a previsão e o experimental do estudo de Ohya e o resultado deste trabalho

• O maior ganho de velocidade é ocorrendo na posição

Análise dos Resultados Com a simulação para aplicação eólica validada, foi possível

explorar a aplicação de difusores para turbinas hidrocinéticas considerando as modificações na dimensão da turbina () e características do fluído (água a 20°C) bem como velocidade típica para um rio Amazônico

Para água a 20°C as propriedades do escoamento consideradas foram:• Densidade: • Viscosidade: • Velocidade livre típica: • Número de Reynolds:

Para efeito de comparação, foi feita uma simulação para escoamento com

É interessante notar que o comportamento do fluído não sofre alterações significativas com diferentes Números de Reynolds no interior do difusor

Análise dos Resultados Por fim, foi simulado o escoamento para diferentes tamanhos de

flange do difusor e observou-se o impacto na variável de estudo (), mantendo-se as demais variáveis constantes. Foram computados os resultados para diferentes valores de : , , e

• Nota-se que a presença da flange tem influências significativas sobre a velocidade de escoamento (curvas azul, verde e vermelha) com ganho máximo : ; e respectivamente em comparação com o difusor sem flange (curva laranja)

• Ainda assim, somente o difusor sem flange já demonstra um certo ganho de velocidade para o escoamento. Para este caso, o máximo ocorre em

Conclusões A validação e estudo de uma importante variável nos sistemas

de geração de energia por escoamento de fluido (a velocidade axial) foi executada com sucesso, sendo observado uma íntima relação entre a simulação no PHOENICS e os resultados experimentais apresentados na literatura

A partir do conceito de que a potência gerada por uma turbina eólica ou hidrocinética é proporcional ao cubo da velocidade axial do escoamento, conclui-se que a aplicação do difusor tem um grande impacto na eficiência energética

Um local de potencial posicionamento da turbina no interior do difusor com a geometria estudada é no ponto , onde a maior velocidade axial ocorre