Variations on the double-multiple streamtube model for Darrieus straight-bladed vertical-axis wind turbines to improve predictions of performance and flow expansion

Abstract

El propósito del presente trabajo es formular una herramienta computacional de bajo costo que determine la potencia y la expansión de flujo de turbinas eólicas de eje vertical (VAWTs) tipo Darrieus. Esta herramienta puede ser útil para predecir el desempeño aerodinámico de VAWTs en ambientes urbanos o en granjas eólicas. En este trabajo se realizan variaciones en el modelo doble-múltiple tubos de corriente (DMS) para turbinas Darrieus de álabes rectos (SB-VAWTs) con el fin de mejorar las predicciones de desempeño aerodinámico y expansión del flujo. Se presentan los antecedentes generales y el marco teórico del modelamiento de las Darrieus SB-VAWTs. El caso de referencia está compuesto por las mediciones de campo de una Darrieus SB-VAWT de 12 kW (6 m de diámetro) encontradas en la literatura y las simulaciones computacionales bidimensionales realizadas en el software ANSYS Fluent 13.0. Se plantea y verifica una representación matemática de las líneas de corriente para modelar el promedio temporal de la expansión de flujo alrededor de SB-VAWTs. Se presenta una nueva formulación del modelo DMS basado en momentum con expansión de flujo. El desempeño aerodinámico y la expansión de flujo son calculados en MATLAB utilizando coeficientes aerodinámicos empíricos y los resultados de las simulaciones computacionales. Se propone una nueva formulación del modelo DMS basado en la conservación de energía mecánica. Ambas formulaciones estudiadas presentan problemas de convergencia para altas razones de velocidades de punta de álabe. Las predicciones de expansión de flujo se encuentran alejadas de las obtenidas en las simulaciones computacionales. Se cuantifica e interpreta el error de los modelos DMS basados en momentum y en energía al imponer la expansión obtenida por las simulaciones computacionales. A partir de los datos de fuerza en el sentido del flujo y la expansión de los tubos de corriente, se propone una ecuación alternativa para el balance de momentum lineal considerando un modelo de múltiples tubos de corriente. Dicha relación permite la convergencia y una buena estimación de la expansión del flujo para todas las velocidades de rotación de turbina estudiadas. Se recomienda como trabajo futuro el mejoramiento del cálculo de las fuerzas aerodinámicas basadas en coeficientes aerodinámicos empíricos considerando los efectos dinámicos.