Estudio integral del flujo en la turbina y la estela de aerogeneradores experimentales. An integral study of the flow in the rotor and wake of experimental wind turbines

Resumen

El principal objetivo de esta tesis doctoral es profundizar en el conocimiento de la aerodinámica de aerogeneradores de eje horizontal, por medio del estudio del flujo en el rótor, la interacción pala-torre y la estela cercana en aerogeneradores experimentales MEXICO y Tjaereborg, usando métodos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El rótor Tjaereborg se representó con un modelo volumen actuador, con la técnica de mallado deslizante para el movimiento de giro del rótor. Las fuerzas en las palas fueron calculadas a partir del campo de velocidad predicho en una posición predefinida inmediatamente aguas arriba respecto del plano del rótor y se actualizaron en cada paso temporal. Alternativamente, se usó el método BEM para calcular las fuerzas aerodinámicas. En ambos modelos, las fuerzas fueron introducidas como términos fuente en las ecuaciones RANS no estacionarias con modelo de turbulencia k-e. El aerogenerador MEXICO se representó con un modelo directo. Como primera aproximación, se hizo un estudio sistemático con simulaciones estacionarias y no estacionaras de las ecuaciones RANS con el modelo de turbulencia k-w SST y de un esquema LES, en un dominio computacional periódico, con una pala con la capa límite completamente resuelta (y+ ~ 1). A continuación, se realizaron simulaciones no estacionarios RANS con el modelo de turbulencia k-w SST del aerogenerador completo (tres palas con la capa límite completamente resuelta (y+ ~ 1), buje, góndola y torre) con un modelo de mallado deslizante, a partir del flujo establecido de las simulaciones con un modelo de sistema de referencia estacionario. Los datos experimentales del proyecto MEXICO se compararon con las predicciones CFD, con objeto de validar los modelos. De esta manera, la distribución de presión sobre las superficies de las palas, junto con las distribuciones radiales y longitudinales de la velocidad, permitieron caracterizar el flujo en el rótor y en la estela en distintas condiciones operativas. The main objective of this doctoral thesis is to deepen the knowledge on the horizontal-axis wind turbine aerodynamics through the study of the flow field through the rotor, the blade-tower interaction and the near-wake flow field of the experimental MEXICO and Tjaereborg wind turbines using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The Tjaereborg rotor was represented using an actuator volume model and the sliding mesh technique was applied to perform the rotation motion of the rotor. The forces acting on the blades were computed from the predicted velocity field in a predefined position upstream the rotor plane and updated in every time-step. Alternatively, a BEM method was used to compute the aerodynamic forces. In both models, forces were added as source terms in the unsteady RANS equations with k-e turbulence model. The MEXICO wind turbine was represented with a direct model. As a first approach, a single blade in a rotationally-periodic domain was modeled in order to perform a systematic study with Steady and unsteady RANS simulations with k-w SST turbulence model and Large-eddy simulations (LES) with fully resolved boundary (y+ ~ 1). Thereupon, the entire wind turbine (the blades, hub, nacelle and the tower) was modeled. In this case, unsteady RANS simulations with k-w SST turbulence model and fully resolved blade boundary layer (y+ ~ 1) using both the sliding mesh and multiple frames of reference methods. The multiple reference frame solution was used as an initial condition for the transient sliding mesh simulations. In order to validate the models, the experimental data from MEXICO project were compared with the CFD predictions of the models. Hence, the characterization of the flow and wake behind the MEXICO rotor with surface pressure distributions on the blades, radial and axial traverses in a variety of operating conditions.