Una técnica robusta para modelar el rompimiento de la estela vorticosa en generadores eólicos de gran potencia y eje horizontal

Abstract

Con el fin de aumentar el conocimiento del comportamiento aerodinámico de turbinas eólicas de eje horizontal y de gran potencia y lograr así un correcto diseño de las mismas, los estudios aerodinámicos, aeroelásticos y aeroservoelásticos de estos sistemas de generación de energías limpias han recobrado interés durante los últimos años. En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación computacional de un nuevo método de simulación del fenómeno de ruptura de las estelas vorticosas generadas por las palas al impactar la torre portante; dicha componente influye de manera directa en el comportamiento de la potencia mecánica de la turbina. La nueva técnica numérica se implementó en un código computacional ya existente, basado en una versión modificada del método de red de vórtices no lineal y no estacionario. Con el objetivo de poner en evidencia la eficiencia y robustez del nuevo método de ruptura, se comparan los resultados numéricos con un esquema desarrollado con anterioridad. Además, se analiza cualitativamente la forma de la ruptura al variar el número de elementos aerodinámicos utilizados para discretizar las palas y la torre. Finalmente, para analizar cuantitativamente la influencia de la discretización aerodinámica de la pala en el modelo de ruptura, se calculan los tiempos dimensionales de comienzo y finalización de la primera ruptura de estela y se extraen conclusiones.

With the objective of increasing knowledge regarding the behavior of Large-Scale Horizontal-Axis Wind Turbines (LSHAWTs) and provide a correct design for them, during the last years, the aerodynamic, aeroelastic and aeroservoelastic studies have become of interest. In this paper, a new numerical method to simulate the wake rupture against the supporting tower is developed. This simulation scheme is implemented into an existing computational code and represents an improvement in the process of detecting wake vortex segments going through the body of the tower. The numerical tool is based on a modified version of the well-known unsteady vortex-lattice method. In order to validate the efficiency and robustness of the proposed wake rupture method, current numerical results are compared against results obtained using a numerical scheme developed previously. Moreover, a qualitative analysis of shape variations of the wake rupture as a function of the number of aerodynamic elements on both the blades and the tower is carried out. Finally, to analyze quantitatively the influence of aerodynamic discretization of the blade on the wake rupture model, the starting- and ending-time of the first rupture are computed. Conclusions are drawn.