Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo comparativo entre os três métodos para obtenção das características aerodinâmicas de tabuleiros de pontes: analítico, experimental e numérico. O tema é motivado pelo crescimento das necessidades de conhecimento científico e tecnológico na área de desempenho aerodinâmico de seções típicas de pontes nas etapas mais iniciais de projeto. A precisão de uma ferramenta de previsão certamente acelera a convergência ao modelo final; porém, qualquer metodologia numérica deve ser extensivamente testada antes de ser utilizada nos escritórios de cálculo. Inicialmente mostra-se a lógica da análise de instabilidades provocadas pelo vento, resume-se a modelagem de tabuleiros de pontes para ensaios em túnel de vento e descreve-se o método numérico implementado no programa comercial de análise de pontes RM. Comparam-se dados disponíveis de testes de modelos reduzidos no túnel de vento com as estimativas de aproximação do Método da Vorticidade em Partículas (MVP). Confrontam-se resultados para casos clássicos, um estudo paramétrico, dados dos relatórios de três pontes Brasileiras já ensaiadas no Túnel de Vento Joaquim Blessmann do LAC – PPGEC/UFRGS: Paulicéia, Guamá e Roberto Marinho. Finalmente, considera-se o método experimental como preciso e julga-se o método numérico comparativamente, analisando a confiabilidade dos resultados e procurando definir a sua faixa de aplicabilidade. Examinando a variabilidade dos resultados, bastante baixa, definiu-se sua faixa de aplicação considerando os resultados obtidos como satisfatórios para projetos básicos e executivos de estruturas; necessitando, porém, para os casos especiais, de comprovação experimental em túnel de vento antes da sua execução. Exemplifica-se então o uso do método para alguns problemas de análises de seções. Os resultados e comparações corroboram verificações anteriores do método dos vórtices discretos para verdadeiras seções de pontes e mostram porque o seu uso vem se tornando cada vez mais aceitável. / The work has the objective to realize a comparative study between three methods to obtain bridge aerodynamic coefficients: analytic, experimental and numerical. The theme is motivated by the increasing need of knowledge about the aerodynamic behaviour of bridge decks in the early stages of the design process. The accuracy of a predictive tool will certainly accelerate the convergence to the final design. However, any numerical methodology must be extensively tested ascertain and hence validated before it becomes of current use by designers. Collaboration is made comparing wind tunnel data of reduced models and numerical estimations by a simplified approach. After a brief overview of wind loading and wind tunnel modeling, the bridge wind resistance design in the commercially available bridge design software package RM is shown. The Discrete Vortex Method and the implementation are shortly described. Initially, classical fluid problems are indicated together with the comparison of parametric cross sectional bridge shapes. After, three Brazilian large cablestayed bridge projects are presented as instance of analysis: Paulicéia, Guamá and Roberto Marinho. Bridges aerodynamic coefficients were experimentally obtained at the Boundary Layer Wind Tunnel Joaquim Blessmann at Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Finally, experimental results are considered precise and those results evaluated with CFD are compared analyzing the liability and applicability. According to the results variability, quite low, we considered them appropriated for basic and final structural designs; needing, although, for special cases, of experimental probation in wind tunnel tests before the construction phase. Some CFD analysis problems of cross sections are then presented as application examples. The results and similitude corroborate earlier verifications of the method and this implementation, demonstrating why its use is becoming increasingly acceptable.

O objetivo deste trabalho é estudar algoritmos paralelos para a solução de problemas de Mecânica dos Sólidos, Mecânica dos Fluídos e Interação Fluido-Estrutura empregando o Método dos Elementos Finitos para uso em configurações de memória distribuída e compartilhada. Dois processos para o particionamento da estrutura de dados entre os processadores e divisão de tarefas foram desenvolvidos baseados na aplicação do método de particionamento em faixas e do método da bissecção coordenada recursiva não sobre a geometria da malha mas sim diretamente sobre o sistema de equações, através de reordenações nodais para minimização da largura da banda. Para ordenar a comunicação entre os processadores, foi desenvolvido um algoritmo simples e genérico baseado em uma ordenação circular e alternada que permite a organização eficiente dos processos mesmo em cenários nos quais cada processador precisa trocar dados com todos os demais. Os algoritmos selecionados foram todos do tipo iterativo, por sua adequabilidade ao paralelismo de memória distribuída. Foram desenvolvidos códigos paralelos para o Método dos Gradientes Conjugados utilizado em problemas de Mecânica dos Sólidos, para o esquema explícito de Taylor-Galerkin com um passo e iterações utilizado na simulação de escoamentos compressíveis em regime transônico e supersônico, para o esquema explícito de Taylor- Galerkin com 2 passos para simulação de escoamentos incompressíveis em regime subsônico e para interação fluído-estrutura usando o esquema explícito de dois passos para o fluído e o método implícito de Newmark no contexto do método de estabilização α-Generalizado para a estrutura, com acoplamento particionado. Numerosas configurações foram testadas com problemas tridimensionais utilizando elementos tetraédricos e hexaédricos em clusters temporários e permanentes, homogêneos e heterogêneos, com diferentes tamanhos de problemas, diferentes números de computadores e diferentes velocidades de rede. / Analysis and development of distributed memory parallel algorithms for the solution of Solid Mechanics, Fluid Mechanics and Fluid-Structure Interaction problems using the Finite Element Method is the main goal of this work. Two process for mesh partitioning and task division were developed, based in the Stripwise Partitioning and the Recursive Coordinate Bisection Methods, but applied not over the mesh geometry but over the resultant system of equations through a nodal ordering algorithm for system bandwidth minimization. To schedule the communication tasks in scenarios where each processor must exchange data with all others in the cluster, a simple and generic algorithm based in a circular an alternate ordering was developed. The algorithms selected to be parallelized were of iterative types due to their suitability for distributed memory parallelism. Parallel codes were developed for the Conjugate Gradient Method ( for Solid Mechanics analysis), for the explicit one-step scheme of Taylor-Galerkin method (for transonic and supersonic compressible flow analysis), for the two-step explicit scheme of Taylor-Galerkin method (for subsonic incompressible flow analysis) and for a Fluid-Structure Interaction algorithm using a coupling model based on a partitioned scheme. Explicit two-step scheme of Taylor-Galerkin were employed for the fluid and the implicit Newmark algorithm for the structure. Several configurations were tested for three-dimensional problems using tetrahedral and hexahedral elements in uniform and nonuniform clusters and grids, with several sizes of meshes, numbers of computers and network speeds.

O formato do perfil de velocidades do vento varia de acordo com as características locais da superfície terrestre e de rugosidade do terreno, parâmetros que definem o perfil da Camada-Limite Atmosférica (CLA). As características do escoamento do ar atmosférico sobre e ao redor de acidentes geográficos, tais como morros e colinas, são de grande interesse para aplicações relacionadas à Engenharia de Turbinas e Parques Eólicos. No topo de morros, ocorre a aceleração do vento, fenômeno que pode representar um fator decisivo para a instalação de aerogeradores. Este trabalho dedica-se ao estudo do comportamento da CLA como função da inclinação e rugosidade superficial da elevação, fazendo uso da Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para construir perfis de velocidade do vento e de intensidade de turbulência. O problema de fechamento das Equações Médias de Reynolds (RANS) é contornado com o uso do modelo de turbulência k-ω SST; os resultados numéricos obtidos são comparados com dados experimentais medidos em túnel de vento sobre modelos em escala dos morros. São testados oito modelos de morros com declives que variam de 25° a 64° para dois tipos de categorias de terreno, em 2D e 3D, e são aplicados dois códigos analíticos para representar o perfil de velocidades de entrada. Resultados numéricos para os perfis de velocidade apresentam diferença inferior a 4% em relação aos respectivos dados obtidos experimentalmente. Os perfis de intensidade de turbulência apresentam diferença máxima na casa dos 7% em comparação aos dados experimentais, o que é explicado pelo fato de que não é possível inserir o perfil de entrada de intensidade de turbulência nas simulações numéricas. Em alternativa, foi usado um valor constante resultado da média dos valores dos perfis usados no túnel de vento. Os modelos de morro em 3D apresentam maior concordância nos resultados de velocidade que os modelos em 2D e que ademais quanto maior é a inclinação do morro maior é a concordância com as medições experimentais. / The shape of the wind velocity profile changes according to local features of terrain shape and roughness, which are parameters responsible for defining the Atmospheric Boundary Layer (ABL) profile. Air flow characteristics over and around landforms, such as hills, are of considerable importance for applications related to Wind Farm and Turbine Engineering. The air flow is accelerated on top of hills, which can represent a decisive factor for Wind Turbine placement choices. The present work focuses on the study of ABL behavior as a function of slope and surface roughness of hill-shaped landforms, using the Computational Fluid Dynamics (CFD) to build wind velocity and turbulent intensity profiles. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations are closed using the SST k-ω turbulence model; numerical results are compared to experimental data measured in wind tunnel over scale models of the hills under consideration. Eight hill models with slopes varying from 25° to 64° were tested for two types of terrain categories in 2D and 3D, and two analytical codes are used to represent the inlet velocity profiles. Numerical results for the velocity profiles show differences under 4% when compared to their respective experimental data. Turbulent intensity profiles show maximum differences around 7% when compared to experimental data, this can be explained by not being possible to insert inlet turbulent intensity profiles in the simulations. Alternatively, constant values based on the averages of the turbulent intensity at the wind tunnel inlet were used. The 3D models present greater concordance in the speed results than the 2D models and that in addition the greater the slope of the hill, the greater the agreement with the experimental measurements.

Neste trabalho, é apresentada a simulação de escoamentos compressíveis turbulentos no entorno de corpos móveis rígidos ou deformáveis empregando-se técnicas adaptativas. As simulações numéricas são conduzidas utilizando-se o método dos elementos finitos. A discretização espaço-temporal é desenvolvida através do método das linhas ou direções características (Characteristic-Based Split - CBS) e a modelagem da turbulência é feita através de um modelo de Simulação de Grandes Escalas (SGE, ou na terminologia em inglês, Large Eddy Simulation – LES) com o coeficiente de Smagorinsky variável no tempo e espaço (SGE ou LES dinâmico). A análise estrutural de corpos deformáveis imersos no fluido é realizada através de um modelo de elementos finitos triangulares para análise de placas e cascas com não linearidade geométrica, usando materiais elásticos com comportamento linear. Conjuntamente, um método de adaptação anisotrópica transiente de malhas é empregado para obter resultados com boa resolução a baixos custos computacionais. A consideração do movimento relativo de corpos imersos no escoamento é feita através de um método híbrido de movimento da malha que emprega interpolação com funções de base radial. Exemplos bidimensionais e tridimensionais são apresentados de forma a validar cada uma das metodologias desenvolvidas. Por fim, exemplos de simulações complexas são investigados, comparando-se os resultados obtidos com resultados experimentais e numéricos presentes na literatura. / In this work, the simulation of compressible turbulent flows around rigid and flexible moving bodies is presented using adaptative techniques. The numerical simulations are solved employing the finite element method. The space-time discretization is performed using the Characteristic-Based Split scheme (CBS) and turbulence is modelled with Large Eddy Simulation (LES) and a dynamic Smagorinsky sub-grid model. The structural analysis of deformable bodies immersed on the flow is performed using a triangular finite element model for the analysis of geometrically non-linear elastic plates and shells. An anisotropic mesh adaptation algorithm for transient simulations is coupled with the solver to achieve results with good resolution and low computational costs. The consideration of the relative movement of immersed bodies on the flow is performed employing an hybrid method of mesh movement based on radial basis function interpolation. Twodimensional and three-dimensional examples are presented in order to validate the proposed methodologies. Finally, complex simulations are investigated, where results are compared with experimental and numerical data available in the literature.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um método adaptativo anisotrópico de malhas e seu acoplamento a um programa de simulação de escoamentos de fluidos compressíveis numa faixa ampla de número de Mach utilizando o Método dos Elementos Finitos (Bubnov-Galerkin). Mais especificamente, implementa-se um código para simulação de escoamentos compressíveis utilizando o método das linhas ou direções características (CBS), o qual possui boa performance para uma amplo espectro de números de Mach. A discretização espacial é feita utilizando-se elementos finitos triangulares lineares e tetraédricos lineares para problemas bidimensionais e tridimensionais, respectivamente. A discretização temporal é feita por uma expansão em séries de Taylor. Implementa-se uma adaptação anisotrópica com capacidade de refinamento e desrefinamento do domínio computacional para se obter soluções precisas a baixos custos computacionais, onde a estimativa de erro é conduzida por uma métrica Riemanniana, a qual permite o tratamento contínuo do erro através de um tensor de erro anisotrópico. O código é modificado para possibilitar o uso de arquiteturas de memória compartilhada a fim de aumentar a velocidade de processamento da simulação. Por fim, diversos estudos, tanto para problemas bidimensionais quanto tridimensionais, são realizados, validando a metodologia e realizando estudos adicionais em problemas mais complexos. / The objectives of this dissertation are the implementation of an anisotropic mesh adaptation procedure and its coupling with a compressible flow simulation code with large Mach range using the Finite Element Method (Bubnov-Galerkin). Specifically, a computer code using the Characteristic Based Split method called CBS, which has a good performance for a wide range of Mach numbers, is implemented. The spatial discretization is performed using linear triangular and linear tetrahedral finite elements for two and three dimensional cases, respectively. The temporal discretization is done with Taylor series. An anisotropic mesh adaption technique, based on a Riemann metric to evaluate the errors (which allows continuous error analysis through an anisotropic error tensor evaluation), including mesh refinement and mesh coarsening procedures is also implemented looking for accurate and computationally cheaper solutions. The code is able to use shared memory architecture in order to reduce computer process time. Finally, two-dimensional and three-dimensional studies are performed in order to validate the proposed methodology and additional complex tests are also analysed.

O presente trabalho realiza um estudo do desempenho aerodinâmico da turbina eólica de duas pás e 10 m de diâmetro da UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames, através do uso de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Para tanto são apresentados conceitos fundamentais para análise da performance do aerogerador, a metodologia aplicada para a análise numérica e os resultados obtidos. O modelo geométrico da turbina foi inserido em ambiente computacional num domínio com as mesmas dimensões da seção de testes do túnel de vento. A esse domínio foi empregada uma malha de elementos tetraédricos. A modelagem numérica e as simulações foram efetuadas através do código comercial ANSYS FLUENT 13.0 e utilizaram as equações médias de Reynolds e modelos de turbulência k  SST e Spalart-Allmaras. A turbina simulada possui ângulo de giro (yaw) e de cone de 0°. Os casos simulados foram de turbina com ângulos de passo das pás de 0° e 3°, para velocidades de ar na entrada do domínio de 5 m/s, 7 m/s e 9 m/s. As simulações foram feitas em regime transiente utilizando o método de malha móvel. Dados provenientes da simulação numérica são comparados aos dados experimentais de empuxo, torque e potência, divulgados pelo laboratório. Os modelos de turbulência testados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais de empuxo. O torque e a potência foram bem previstos para velocidades de entrada do domínio baixas, mas foram subdimensionados para velocidades mais altas. A separação da camada limite foi prevista por ambos os modelos. Na comparação com resultados obtidos com outros autores para o mesmo caso, o início de descolamento da camada limite se deu antes do previsto. A metodologia adotada nas simulações numéricas realizadas mostrou-se adequada e representativa nas análises desse estudo. / This study makes a CFD analysis of the aerodynamic performance of the NREL UAE Phase VI two-bladed wind turbine, which have been tested in the NASA Ames wind tunnel. Fundamental concepts on the evaluation of turbine performance, the applied methodology for the numerical analysis and the results are presented. A numerical model has been inserted in a computational environment that has the same dimensions as the real wind tunnel section, and a tetrahedral mesh has been created to fill this domain. Numerical modeling and the simulations have been performed using the ANSYS FLUENT 13.0 commercial code, making use of the RANS equations and the k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models. The simulated turbine has 0 degrees of cone and yaw angle. Simulations were performed in unsteady state using the moving mesh technique. Results are compared to experimental data regarding to thrust, torque and power. The k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models have shown good agreement with experimental values of thrust. Torque and power have been adequately predicted to lower free flow velocities, but have been underpredicted to higher velocities. Separation of the boundary layer has been adequately predicted by both models, but the beginning of the separation occurred earlier than expected in comparison with results of other authors to the same case. The methodology used in the numerical simulations proved to be adequate and representative in this study.

O presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de perfis aerodinâmicos bidimensionais com foco na utilização para o projeto e otimização de pás e rotores de pequenas turbinas eólicas de eixo horizontal, bem como o emprego desses métodos em simulações nas quais efeitos de alta solidez do rotor e baixos números de Reynolds são avaliados. Essa metodologia inclui geração de malhas, seleção de métodos numéricos e validação, tendo as escolhas sido guiadas pelas práticas mais bem sucedidas na simulação de perfis aerodinâmicos, e foi aplicada na simulação dos aerofólios NACA 0012, S809 e SD7062. O código comercial ANSYS Fluent foi utilizado em todas as simulações. Na simulação de aerofólios isolados a altos números de Reynolds dos perfis NACA 0012 e S809, o modelo Transition SST (γ-Reθ) apresentou resultados mais próximos a dados experimentais do que aqueles apresentados pelo modelo k-ω SST para CL e CD, além de produzir resultados para CP que mostraram boa precisão quando comparados aos mesmos dados experimentais. Resultados de CL, CD, CF e CP são apresentados para 20 diferentes condições de operação às quais o perfil SD7062 foi submetido, com números de Reynolds variando entre 25.000 e 125.000. As distribuições dos dois últimos coeficientes sobre os dorsos do aerofólio evidenciam com clareza a presença e magnitude da bolha de separação laminar. Os coeficientes de sustentação e arrasto mostram o impacto negativo da presença da bolha nessa faixa de números de Reynolds. Além disso, nos casos simulados, o arrasto aumenta em função da diminuição do Re. Um design de pá produzido com o auxílio do código de otimização SWRDC, baseado em algoritmos genéticos, é apresentado. Três seções ao longo da envergadura dessa pá foram simuladas em uma bateria de 45 simulações, sob diversas condições de operação em função de solidez, ângulo de ataque e razão de velocidade de ponta de pá. Esses resultados mostram que a bolha de separação laminar se move na direção do bordo de ataque com o aumento da solidez, do ângulo de ataque e da TSR. Além disso, distribuições do CP mostram aumento de pressão em ambos os dorsos do perfil quando submetido aos efeitos da solidez, embora esses efeitos tenham sido responsáveis por um aumento na relação CL/CD nos casos estudados. / This thesis presents a methodology of two-dimensional airfoil simulation focusing on its application on the design and optimization of blades and rotors of small horizontal axis wind turbines, and its application in a set of numerical simulations involving high rotor solidity and low-Re effects. This methodology includes grid generation, selection of numerical methods and validation, reflecting the most successful practices in airfoil simulation, and was applied in the simulation of the NACA 0012, S809 and SD7062 airfoils. The ANSYS Fluent commercial code was used in all simulations. Results for the isolated NACA 0012 and S809 airfoils at high Reynolds numbers show that the Transition SST (γ-Reθ) turbulence model produces results closer to experimental data than those yielded by the SST k-ω model for CL and CD, having also produced CP plots that show good agreement to the same experimental data. Plots of CL, CD, CF and CP for the SD7062 airfoil are presented, for simulations at 20 different operating conditions. The CF and CP distributions evidence the negative impact of the laminar separation bubble in the range of Reynolds numbers evaluated. Results show that, for Re between 25,000 and 125,000, drag increases with decreasing Re. A blade design generated using the SWRDC optimization code, based on genetic algorithms, is presented. Three sections of the resulting blade shape were selected and were tested in a set of 45 simulations, under an array of operating conditions defined by solidity, angle of attack and TSR. Results show that the laminar separation bubble moves towards the leading edge with increasing solidity, angle of attack and TSR. Furthermore, CP plots show an increase in pressure on both surfaces when the airfoil is subject to solidity effects, although these effects show an increase in the lift-to-drag ratio at the conditions evaluated.

O presente estudo apresenta a análise numérica do escoamento do fluido de trabalho em uma turbina Tesla com rotor estacionário. O estudo de independência de malha prevê o uso de aproximadamente 2 milhões de volumes, com desempenho semelhante ao das malhas mais refinadas, apresentando uma economia significativa de esforço computacional. Três modelos de turbulência da abordagem RANS são aplicados com o objetivo de estabelecer uma metodologia para estudos futuros com dados experimentais. Os diferentes modelos de turbulência fornecem resultados para a predição do torque na turbina, com uma variação abaixo de 1 % entre si. Ar é usado como fluido de trabalho a pressão manométrica de 2,5 bar, alcançando velocidades no entorno de 310 m.s-1 na região da garganta do bocal e na região de jato livre, logo após a descarga do bocal. Essa condição permite afirmar que a turbina funciona na sua condição de máxima vazão, com o número de Mach próximo ao valor unitário, com escoamento compressível A velocidade na região interna entre discos chega a um valor máximo de 100 m.s-1. Na ausência de dados experimentais e de literatura, um estudo paramétrico com diferentes condições de operação da turbina é realizado a fim de verificar a qualidade dos resultados simulados. A vazão mássica é estimada com base na temperatura e pressão do fluido de trabalho, modelado como gás ideal. Os resultados preditos pelo modelo numérico para o torque no rotor é de 2,09 N.m com pressão manométrica de 1,5 bar e vazão mássica de 33,58 g/s, 2,22 N.m com pressão manométrica de 2,0 bar e vazão mássica de 40,29 g/s, e 2,38 N.m com pressão manométrica de 2,5 bar e vazão mássica de 53,73 g/s. A temperatura foi de 300 K mantida constante para as três análises. Para os casos analisados, o número de Mach na garganta do bocal convergente apresentou uma tendência ao valor unitário, variando entre 0,7 a 1, o que sugere que o bocal está trabalhando na sua condição máxima de vazão do fluido de trabalho. / The present study presents the numerical analysis of the working fluid flow in a Tesla turbine with stationary rotor. The mesh independence study predicts the use of approximately 2 million volumes, with similar performance to those most refined meshes, presenting a significant saving of computational effort. Several turbulence models of the RANS approach are applied with the aim of establishing a methodology for future studies with experimental data. The different turbulence models provide very close results for turbine torque prediction, with a variation below 1% between them. Air is used as working fluid at a pressure of 2.5 bar gauge, reaching velocities around 310 m.s-1 in the throat region of the nozzle and in the free jet region, just after the discharge of the nozzle. This condition allows to state that the turbine works in its maximum flow condition, with the Mach number close to unitary value, with a compressible flow The velocity in the inner region between disks reaches 100 m.s-1. In the absence of experimental data and literature, a parametric study with different operating conditions of the turbine is performed in order to verify the quality of the simulated results. The mass flow rate is estimated based on the temperature and pressure of the working fluid, modeled as the ideal gas. The results predicted by the numerical model for the torque in the rotor is 2.09 N.m with gauge pressure of 1.5 bar and a mass flow rate of 33.58 g/s, 2.22 N.m with gauge pressure of 2.0 bar and a mass flow rate of 40.29 g/s, and 2.38 N.m with gauge pressure of 2.5 bar and flow mass of 53.73 g/s. The temperature was 300 K kept constant for all three cases. For the analyzed cases, the Mach number in the throat of the convergent nozzle showed a tendency to the unit value, ranging from 0,7 to 1,0 which suggests that the nozzle is working in its maximum flow condition of the working fluid.