The technologies of urban wind turbines have been rapidly developed in recent years, but urban wind turbines have not found a wide application due to the limitations of their designs. The power output of urban wind turbine is significantly affected by urban terrain, which can cause low speed flow with frequent change of its direction. Thus, there is a need for a new wind turbine to meet the requirements of an urban wind turbine. In this study, a novel wind turbine for urban areas was designed and developed. The investigations of the novel urban wind turbine were carried out by using computational fluid dynamic (CFD) simulations and wind tunnel tests. The results from the investigation have shown that the novel wind turbine has a great potential to harvest wind energy in urban areas. A detailed study of effects of each parameter on wind energy concentration of the novel wind turbine was carried out with CFD simulations. According to the simulation results, the shroud structure of the novel wind turbine was modified and the dimensions of the final structure were identified. It was determined that the capability of wind energy concentration of the novel wind turbine shroud has been significantly improved through the structure optimisations. Furthermore, guide vane and impulse turbine were implemented in the novel wind turbine. The flow characteristics through the guide vane was studied and discussed. It was found that the wind flow characteristics can be properly modified by implementing guide vane and the structure of impulse turbine was suitable to be implemented in the novel wind turbine due to the flow characteristic through the guide vane.

<div>Good wind-tunnel flow quality characteristics are vital to using test data in the aerodynamic design process. Spatially uniform velocity profiles are required to avoid yaw and roll moments that would not be present in real flight conditions. Low turbulence intensity levels are also important as several aerodynamic properties are functions of turbulence intensity. When measuring mean flow and turbulence properties, hot-wire anemometry offers good spatial resolution and high-frequency response with a fairly simple operation, and the ability to make near-wall measurements. Using hot-wire anemometry, flow quality experiments were conducted</div><div>in a closed-circuit wind tunnel with a test section that has a cross section area of 1.2 m x 1.8 m (4 ft. x 6 ft.). The experiments included measurements of flow velocity and turbulence intensity variation over the test section cross-section, spatial and temporal temperature variation, and</div><div>boundary layer measurements. The centerline velocity and turbulence intensity were also measured for flow speeds ranging from 13 to 43 m/s.</div>

Este trabalho tem por objetivo formular um procedimento para a quantificação da vazão do ar promovida pela ação do vento no interior do edifício, em climas quentes. O procedimento é dividido em cinco partes: obtenção dos dados de vento, transposição dos dados de vento da estação meteorológica para a área de interesse, determinação dos coeficientes de pressão no edifício, determinação dos coeficientes de descarga das aberturas, e o cálculo da vazão no interior do edifício. Diversas ferramentas são apresentadas para a execução de cada etapa, e seu uso e parâmetros de entrada são discutidos. O uso de túnel de vento e a simulação com ferramentas de dinâmica dos fluidos computacional são apresentados em detalhes. O trabalho conclui que estão disponíveis aos projetistas um amplo conjunto de ferramentas para a predição da ventilação natural no interior do edifício, e que somente pelo seu uso criterioso, as conclusões são passiveis de uso no projeto arquitetônico. / The aim of this dissertation is to produce a procedure for wind-driven natural ventilation prediction, in hot climate building. The procedure is organized in five parts: wind data obtaining, topographic e roughness correction, pressure coefficient determination, discharge coefficient determination, and flow rate calculation inside the building. The dissertation presents some tools to execute each part of the procedure, and the specificities of those tools are discussed. Wind tunnel experiment and computation fluid dynamic simulation are presented in detail. The research conclusion is that designers have many tools avaliable to performe a natural ventilation prediction, but just concient use will produce reliable results for architectural design.

A aeroelasticidade é a ciência que estuda os fenômenos provenientes das interações entre forças aerodinâmicas, elásticas e inerciais. Estes fenômenos podem ser classificados como estáticos ou dinâmicos e estes divididos em problemas de estabilidade ou de resposta. Destaca-se aqui o flutter, um fenômeno aeroelástico dinâmico de estabilidade. A velocidade crítica de flutter é a fronteira entre a estabilidade e instabilidade de um sistema aeroelástico. Em velocidades menores que a crítica qualquer oscilação é amortecida ao longo do tempo. Na velocidade crítica o sistema aeroelástico apresenta oscilações auto excitadas com amplitude e frequência constantes. Acima da velocidade crítica verificam-se oscilações instáveis que resultam na falha de uma estrutura. Este trabalho apresenta o projeto, fabricação e testes de um modelo experimental para testes de flutter em túnel de vento. O modelo experimental é composto por uma asa rígida conectada a uma suspensão elástica que atribui dois graus de liberdade ao experimento. As características inerciais e elásticas do modelo experimental são determinadas e utilizadas em um modelo aeroelástico computacional. Este modelo utiliza as equações de movimento para uma seção típica combinadas com o modelo aerodinâmico não estacionário de Theodorsen. O método V-g é utilizado para a solução do problema de flutter, ou seja, determinação da velocidade crítica de flutter. Esta solução é confrontada com a velocidade crítica medida em ensaios em túnel de vento. A evolução aeroelástica do modelo experimental é medida e apresentada como respostas no domínio do tempo e da frequência. / Aeroelasticity is the science which studies the interaction among inertial, elastic, and aerodynamic forces. Aeroelastic phenomena can be divided in static and dynamic problems and these studied as problems of stability or response. Flutter is a dynamic aeroelastic problem of stability and one of the most representative topics of aeroelasticity. The critical flutter speed can be defined as the frontier between stability and instability. Below the critical speed vibrations are damped out as time proceeds. At the critical flutter speed the system presents a self-sustained oscillatory behavior with constant frequency and amplitude. Unstable oscillations are observed for speeds above the critical one leading to structural failure. The design, fabrication and tests of an experimental model for flutter tests in wind tunnels are presented in this work. The experimental model has a rigid wing connected to a flexible suspension that allows vibrations in two degrees of freedom. The elastic and inertial parameters of the experimental system are used in a computational aeroelastic model. The equations of motion for a typical aeroelastic section and an unsteady aerodynamic model given by Theodorsen are combined and the resulting aeroelastic equations are solved using the V-g method. The computational results are compared with the experimental critical flutter speed measured in wind tunnel tests. The experimental aeroelastic behavior with increasing airflow speed is given in time and frequency domain.

Nos últimos anos cresceu o interesse por construir edifícios cada vez mais altos, os quais estampam o poderio tecnológico e econômico das nações. Concomitantemente as estruturas se tornaram mais esbeltas e flexíveis e os fenômenos dinâmicos oriundos da ação do vento, que em edificações baixas não representam grande relevância no carregamento, começam a surgir e apresentar seus efeitos. Desta maneira, é importante conhecer como se desenvolve o escoamento do ar e a distribuição das pressões no entorno destas estruturas. Neste trabalho, caracteriza-se aerodinamicamente, através de dados oriundos de ensaios em túnel de vento, dois empreendimentos reais e presentes na engenharia nacional. Os carregamentos foram gerados através da integração simultânea de pressões e transformados em espectros de força, os quais auxiliam na visualização da energia cinética contida nas rajadas, na ocorrência de desprendimento cadenciado de vórtices, martelamento e na influência que as edificações vizinhas apresentam no escoamento. A análise é realizada local e globalmente, possibilitando verificar em que “zona”, ou faixa de altura, é mais significante para o carregamento da estrutura como um todo. O fenômeno de desprendimento de vórtices é caracterizado por um pico no espectro transversal à incidência do vento. Quando existem edificações ou obstáculos na região a barlavento, a estrutura pode ser martelada até a altura média destes obstáculos. Por fim, os resultados aqui apresentados podem servir de auxílio no pré-dimensionamento de estruturas com configurações similares, como comparativo e validação para pesquisas futuras e como referencial na elaboração de códigos normativos referentes ao tema. Destaca-se a importância de ensaios em túnel de vento, principalmente quando a estrutura a ser analisada possui um detalhamento arquitetônico complexo. Estes ensaios permitem ao projetista simular todos os casos de carregamento e os efeitos de vizinhança com maior confiabilidade e precisão em relação a métodos simplificados contidos, atualmente, em códigos e normas. / In recent years many high-rise buildings have been built, which are a way to represent the economic and technological power of nations. Concomitantly, the structures have become slender and more flexible, and the dynamic phenomena of wind, which in low buildings do not represent a great relevance in the loading, start to show their effects. In this way, it is extremely important to know how the wind flow and the pressure distribution occur around these structures. In this research, two real projects, present in the national engineering, are characterized aerodynamically through data from wind tunnel tests. The loadings were processed through the simultaneous integration of pressures and transformed into force spectra, which aid in the visualization of the kinetic energy contained in the bursts, in the occurrence of vortex shedding, buffeting and the influence of the neighboring buildings on the wind flow. The analysis is performed locally and globally, making it possible to verify which "zone", or height range, is more significant to the loading of the structure as a whole. It can be seen that the phenomenon of vortex shedding is characterized by a peak in the crosswind spectrum and the buffeting phenomenon appears when there are buildings or obstacles in the windward region. Finally, the results presented here can be helpful in the pre-design of structures with similar configurations, in the comparison and validation for future researches and as a reference in the review of normative codes. Emphasis is given to the importance of wind tunnel testing, which allows the designer to simulate all loading cases and neighborhood effects with greater precision compared to simplified methods currently contained in codes and standards.

Este trabalho tem como proposta desenvolver um difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala, objetivando alcançar um melhor start rotacional (menor torque de partida para rotacionar) em baixas velocidades de vento. Um difusor é uma estrutura em forma de aro envolta ao rotor da turbina eólica, sua função é amplificar a captação e aceleração do vento, explorando os efeitos aerodinâmicos das zonas de vórtices de baixa pressão na saída do difusor. O estudo concentrar-se-á na manipulação da geometria dos difusores, analisando como seu design impacta no seu comportamento aerodinâmico impacta na capacidade do difusor equacionar as zonas de alta e baixa pressão ao longo de sua estrutura, essa relação é determinante para o efeito aerodinâmico que acelera o escoamento de ar, resultando em um start rotacional em baixas velocidade de vento. O ponto de partida para este trabalho são os estudos desenvolvidos por Ohya et al. (2010) sobre difusores compactos-flangeados (compact-type brimmed diffuser) para turbinas eólicas, denominado Wind-lens Technology. Para alcançar os objetivos, esta pesquisa vai utilizar simulações por CFD com software de túnel de vento virtual e ensaios experimentais em túnel de vento físico para avaliar o comportamento dinâmico (turbina + difusor). Foram desenvolvidas dezenove geometrias a partir de uma área construtiva padronizada para o design de difusores. Desenvolveu-se também, a partir dos resultados encontrados, um MFI (microseparador de fluxo interno), que consiste em uma estrutura adicional com função de potencializar as zonas de vórtices (baixa pressão) no plano de saída do escoamento de ar dos difusores. Os resultados mostraram que a manipulação da geometria do difusor produziu resultados promissores em comparação com o modelo de referência, alcançando em algumas geometrias de difusores um melhor start rotacional. O MFI mostrou-se eficaz para potencializar as zonas de baixa pressão e melhorou o start rotacional. Ao final, definiu-se dois modelos de difusores e suas respectivas versões com MFI como as melhores opções para o start rotacional. / This work aims to develop a compact wind turbine for a turbine and a small scale, aiming at a better rotational start at low wind speeds (lower starting torque to rotate). A diffuser is a rim-shaped structure wrapped around the wind turbine rotor, its function is to amplify the wind uptake and acceleration, exploiting the aerodynamic effects of the low-pressure vortex zones at the diffuser outlet. The study will focus on the manipulation of the diffuser geometry, analyzing how its design impacts on its aerodynamic behavior, especially on the diffuser's ability to equate the high and low pressure zones along its structure, this relation is decisive for the aerodynamic effect that accelerates the air flow, resulting in a rotational start at low wind speeds. The basis for this work are studies developed by Ohya et al. (2010) on compact-flanged diffusers for wind turbines, called Wind-lens Technology. To achieve the objectives, this research will use CFD simulations with virtual wind tunnel software and experimental tests in physical wind tunnel to evaluate the dynamic behavior (turbine + diffuser). Nineteen geometries were developed from a standardized design area for the design of diffusers. An MFI (internal flow microseparator) has also been developed, which is an additional structure whose function is to potentiate the low pressure zones of the diffusers. The results showed that the manipulation of the diffuser geometry produced promising results in comparison to the reference model, reaching in some conditions superior results in RPM and initial start. The MFI proved to be effective in boosting the low pressure zones and improved the initial start. At the end, two models of diffusers and their respective versions with MFI were defined as the best options for the initial start.

“Estas vibrações são as primeiras do seu tipo para as pontes tipo viga….elas mostram a alta estabilidade aerodinâmica e confiabilidade da estrutura" (Anishyuk e Antonova, 2010). Esta é uma citação do porta-voz da empresa responsável pela construção da ponte, com vãos 120m e de 7 km de extensão, em Volgograd, na Rússia – que oscilou tão violentamente sob velocidades baixas do vento em maio de 2010, que os motoristas ficaram enjoados e a ponte foi fechada. As filmagens do movimento da ponte podem ser encontradas facilmente na internet, e causam uma visão perturbadora. O que é mais perturbador é que a empresa responsável pelo seu projeto e construção pôde ser tão ignorante da história das aerodinâmicas de pontes e conceitos aerodinâmicos básicos.As vibrações induzidas por vórtices que tinham atormentadas a Ponte Volgograd são agora atenuadas por um sistema avançado de dispositivos de amortecimento mecânico. Se as medidas de segurança tivessem sido tomadas durante a fase do projeto, a necessidade desses dispositivos de amortecimento poderia ter sido evitada. Uma variedade de dispositivos aerodinâmicos passivos tem apresentado ser extremamente eficaz na supressão das vibrações induzidas por vórtices em velocidades baixas do vento para um número de pontes de grande vão Investigações adequadas em túnel de vento realizadas durante a fase do projeto podem alertar os projetistas da existência de instabilidades aerodinâmicas inerente no projeto, e passos podem ser tomados para modificar o formato do tabuleiro para otimizar o seu desempenho dinâmico sob cargas de vento. Investigações experimentais da efetividade na supressão das vibrações induzidas por vórtices, por uma série de dispositivos aerodinâmicos passivos, têm sido realizadas no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, em Porto Alegre. Dispositivos foram projetados com base nas modificações feitas a outros projetos de pontes que sofreram com as vibrações indesejadas da velocidade baixa do vento, tanto no túnel de vento durante a fase do projeto, durante a construção ou após a conclusão da ponte em grande escala. Dispositivos foram testados usando um modelo dinâmico de uma ponte da vida real, e os resultados indicaram que algumas modificações simples a geometria da seção transversal do tabuleiro podem ter um efeito significativo na sua resposta. / “These vibrations are the first of their kind for beam-type bridges….they show the high aerodynamic stability and reliability of the structure” (Anishyuk and Antonova, 2010). This is a quote taken from the spokesman of the company responsible for the construction of the 7km long reinforced concrete bridge in Volgograd, Russia – whose multiple continuous 120 meter spans oscillated so violently under low-wind speed conditions in May of 2010 that motorists became seasick and the bridge was closed. Footage of the bridge’s movement can easily be found on the internet, and makes for disturbing viewing. What is even more disturbing is that the company responsible for its design and construction could be so ignorant to the history of bridge aerodynamics and basic aerodynamic concepts. The vortex-induced vibrations which had plagued the Volgograd Bridge are now mitigated by an advanced system of mechanical damping devices. If proper precautions had been taken during the design stage of the bridge, the necessity of these damping devices could have been avoided. A variety of passive aerodynamic devices have been shown to be extremely effective in the suppression of low wind speed vortex-induced vibrations for a number of long-span bridges Proper wind-tunnel investigations undertaken during the design stage can alert designers to the existence of aerodynamic instabilities inherent to the design, and steps can be taken to modify the shape of the deck to optimise its dynamic performance under wind loads. Experimental investigations of the effectiveness of range of passive aerodynamic devices to suppress vortex-induced vibrations have been conducted at the Professor Joaquim Blessmann Wind-Tunnel, Porto Alegre. Devices were designed based on modifications made to other bridge designs which suffered from unwanted low wind speed vibrations, either in the windtunnel during the design stage, during erection or after completion of the full-scale bridge. Devices were tested using a dynamic section model of a real-life bridge deck design. Results indicate that some simple modifications to the cross-section geometry of the deck can have a substantial effect on its response.

A geração de energia elétrica por meio de aerogeradores de microporte vem ganhando espaço em várias partes do mundo; porém, estudos que descrevem e analisam este artefato, ainda são restritos se comparados a aerogeradores de médio e grande porte. Países como China e Estados Unidos, por exemplo, buscam cada vez mais estudar a microgeração de energia eólica, servindo como motivação para que exista maior número de estudos neste campo, também aqui no país. Neste sentido, a presente pesquisa apresenta análise de perfis NACA com diferentes ângulos de passo visando a microgeração de energia eólica. Para tanto realizou-se levantamento das velocidades de vento na parte superior de um prédio localizado no centro de Porto Alegre durante 5 dias e os perfis aerodinâmicos foram testados no programa computacional Q-Blade. Selecionou-se 3 perfis NACA (0012, 6409, 1412), 3 ângulos de passo (15º, 30° e 45º) e 5 velocidades de vento (de 1m/s à 5 m/s). Os modelos analisados foram obtidos através de impressão 3D. Foram então realizados ensaios aerodinâmicos utilizando o túnel de vento nos quais foram medidos o número de rotação por minuto (RPM), a velocidade de vento da partida da hélice, a tensão, corrente e a potência elétrica, geradas para diferentes configurações de ensaio. O trabalho contribui no sentido de auxiliar projetos que envolvam design e tecnologia que visem à melhoria da funcionalidade prática de microgeradores eólicos de eixo horizontal para as diversas aplicações possíveis. Os resultados apontam que o ângulo de passo de 45º apresenta os maiores índices de rotação, tensão, corrente e potência elétrica para todos os perfis NACA analisados, sendo o perfil NACA 0012 o de maior destaque em relação a esses mesmos parâmetros. / Electric power generation by small scale wind turbines has been gaining space in several parts of the world, however, studies that describe and analyze this artefact, are still more restrict in comparison to medium and large scale wind turbines. Countries such as China and the United States, for example, are increasingly seek to study wind power microgeneration, working as a motivator in order to increase the number of studies in the field, even here in the country. In this matter, the present research presents an analysis of NACA profiles with different pitch angles seeking wind energy microgeneration. In order to do so, it was gathered the wind speed of the top portion of a building located in central Porto Alegre during 5 days and the aerodynamic profiles were tested in the computer program Q-Blade. 3 NACA profiles (0012, 6409, 1412), 3 pitch angles (15º, 30° e 45º) and 5 wind velocities (1m/s to 5 m/s) were selected. The analyzed models were obtained through 3D printing. Aerodynamical tests were performed using the Wind tunnel and were observed the number of rotation per minute (RPM), the wind speed start of the propeller, electric tension, current and power generated for different test configurations. The work contributes to assisting projects that involves design and technology aimed at improving the practical functionality of horizontal axis wind generators for the various possible applications. The results indicate that the 45º pitch angle presents the highest rates of rotation, electric tension, current and power for all the NACA profiles analyzed, with the NACA 0012 profile being the most prominent in relation to these same parameters.

Orientador: Ulisses Rocha Antuniassi / Banca: Otavio Jorge Gricoli Abi Saab / Banca: Marco Antonio Gandolfo / Banca: Carlos Gilberto Raetano / Banca: Paulo Roberto Arbex Silva / Resumo: A alta demanda por agrotóxicos pelos sistemas de produção agrícola, aliada ao possível uso inadequado desses produtos, torna a deriva um dos maiores problemas potenciais da agricultura atual, e a escolha correta de adjuvantes pode ser uma das alternativas para minimizar os impactos negativos causados pela deriva nas pulverizações. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar o efeito proporcionado por diferentes grupos de adjuvantes nas propriedades físicas e químicas das soluções, no espectro de gotas, bem como no potencial do risco de deriva quantificado em túnel de vento, como forma de auxiliar na escolha correta desses produtos para melhor utilização nas aplicações de agrotóxicos. Foram selecionados 18 adjuvantes comumente utilizados em misturas com agrotóxicos em pulverizações agrícolas, avaliando-se as propriedades físicas e químicas dos mesmos em soluções aquosas (viscosidade, densidade, tensão superficial e condutividade elétrica), o espectro de gotas e o potencial de deriva medido em túnel de vento. O experimento foi composto de 33 tratamentos, tendo a água como testemunha adicional, resultantes da diluição dos adjuvantes em diferentes concentrações, com três repetições. Para os ensaios em túnel de vento e análise de espectro de gotas foi utilizada uma ponta de pulverização XR8003 VK na pressão de 200 kPa, gerando um padrão de gotas médias. A deriva foi coletada no túnel de vento com fluxo de ar na velocidade de 2 m s-1. O corante Azul Brilhante a 0,6% (m v-1) foi utilizado como marcador para todas as soluções pulverizadas visando a quantificação da deriva por espectrofotometria. Os resultados mostraram que a adição de adjuvantes alterou as propriedades físicas e químicas das soluções aquosas em diferentes magnitudes, dependendo da concentração utilizada. Os surfatantes organosilicones... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Due to the high demand for pesticide by the agricultural systems and the possible inadequate use of the products, drift became one of the biggest concerns of the modern agriculture, and the correct use of adjuvants may be one of the possible alternatives to minimize the negative impact of spray operations. This study was developed to evaluate the effect of different adjuvants on physical and chemical properties of spray solutions, droplets spectra as well as drift potential measured in wind tunnel, aiming the correct choice of adjuvants to improve efficiency in pesticide application. For this purpose 18 commercially available agricultural spray adjuvants were selected including products usually mixed up with pesticides in the sprayer tank. The evaluation included physical and chemical properties of spray solutions (viscosity, density, surface tension and electric conductivity), droplets spectra and drift risk potential measured in wind tunnel. The experiment was set up with 33 treatments (solutions) obtained from 18 adjuvants used in different concentrations with 3 replications, including pure water as a standard. For wind tunnel tests and droplet spectra analysis it was used a Teejet XR8003 flat fan nozzles at 200 kPa (medium droplets) and all solutions were mixed up with a food color dye (Blue FDC) at 0,6% m v-1 for spectrophotometry analysis of drift deposits on the wind tunnel. The results showed that the addition of adjuvants changed physical and chemical properties of spray solutions in different magnitudes according to the product concentration. The organosilicon surfactants (Silwet 0.1% e 0.2% and BreakThru 0,1%) had the lowest values for surface tension, while the drift retardant based polymers (Define 0,06% e 0,12%) had the highest values for viscosity and density. There was high correlation between the Volume Median Diameter (VMD) and percentage of droplets smaller... (Completo abstract click electronic access below) / Doutor

Este trabalho tem por objetivo formular um procedimento para a quantificação da vazão do ar promovida pela ação do vento no interior do edifício, em climas quentes. O procedimento é dividido em cinco partes: obtenção dos dados de vento, transposição dos dados de vento da estação meteorológica para a área de interesse, determinação dos coeficientes de pressão no edifício, determinação dos coeficientes de descarga das aberturas, e o cálculo da vazão no interior do edifício. Diversas ferramentas são apresentadas para a execução de cada etapa, e seu uso e parâmetros de entrada são discutidos. O uso de túnel de vento e a simulação com ferramentas de dinâmica dos fluidos computacional são apresentados em detalhes. O trabalho conclui que estão disponíveis aos projetistas um amplo conjunto de ferramentas para a predição da ventilação natural no interior do edifício, e que somente pelo seu uso criterioso, as conclusões são passiveis de uso no projeto arquitetônico. / The aim of this dissertation is to produce a procedure for wind-driven natural ventilation prediction, in hot climate building. The procedure is organized in five parts: wind data obtaining, topographic e roughness correction, pressure coefficient determination, discharge coefficient determination, and flow rate calculation inside the building. The dissertation presents some tools to execute each part of the procedure, and the specificities of those tools are discussed. Wind tunnel experiment and computation fluid dynamic simulation are presented in detail. The research conclusion is that designers have many tools avaliable to performe a natural ventilation prediction, but just concient use will produce reliable results for architectural design.