Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-10-01T13:57:59Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-10-01T14:53:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T14:53:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / The Brazilian energy matrix is highly focused on hydroelectric plants, that have been affected by lack of rain and long drought periods. It’s necessary to invest on alternative kinds of energy. The wind energy is an option, since Brazil presents winds with suitable velocity for energy generation, less than 5% of the Brazilian energy power grid is composed by wind turbines. The present work aims to contribute to the alternative energy generation industry, having as objective the study and analysis of flow condition over airfoils of vertical axis wind turbines. The simulation of flow over airfoils were performed using the Pseudo-Spectral Fourier method together with the Immersed Boundary method for discretization of the spatial domain, and the Runge-Kutta method of fourth order for discretization of the time domain. Both instantaneous and mean values were recorded for the lift (Cl) and drag coefficient (Cd), as well as the fields of vorticity, pressure and velocity for the flow over the airfoils with distinctive characteristics of form and angle of attack. It is concluded that with this first experiment, by refining the mesh, the values for Cl and Cd get close to the references. Posteriorly, it was imposed the movement of rotation of one vertical axis wind turbine, and simulated the flow over this turbine blades, when it was recorded both the instantaneous and mean values of the lift, drag and power coefficient, as well as the fields of vorticity, pressure and velocity for different values of velocities of turbine rotation for the airfoils NACA 0008 and NACA 4308. It was possible to conclude by analyzing the values of power coefficient (Cp), Cl and Cd obtained through simulation with the turbines that the airfoil NACA 0008 can be utilized for energy generation, since the airfoil NACA 4308 cannot be utilized in the adopted speed ranges. / A matriz energética Brasileira é altamente focada em usinas hidrelétricas, que vêm sendo afetadas pela falta de chuvas e longos períodos de estiagem. É necessário o investimento em fontes energéticas alternativas. Uma das opções é a energia eólica, pois o Brasil apresenta ventos com velocidades adequadas para geração de energia e, mesmo assim, menos de 5% da matriz energética brasileira é constituída de turbinas eólicas. O presente trabalho visa contribuir com a indústria de geração de energias alternativas tendo por objetivo o estudo e análise de escoamentos sobre aerofólios de turbinas eólicas verticais. As simulações de escoamentos sobre aerofólios foram realizadas com o método Pseudoespectral de Fourier em conjunto com o método da Fronteira Imersa para discretização do domínio espacial, e o método de Runge-Kutta de quarta ordem para discretização do domínio do tempo. Foram registrados os valores instantâneos e médios dos coeficientes de sustentação (Cl) e arrasto (Cd), bem como os campos de vorticidade, pressão e velocidades para escoamento sobre aerofólios com distintas características de forma e ângulos de ataque. Conclui-se com esse primeiro experimento, que ao se refinar a malha, os valores de Cl e Cd se aproximam das referências. Posteriormente, foi imposto o movimento de rotação de uma turbina eólica de eixo vertical, e simulado o escoamento sobre as pás dessa turbina, onde foram registrados os valores instantâneos e médios dos coeficientes de sustentação, arrasto e potência, bem como os campos de vorticidade, pressão e velocidades para diferentes valores de velocidade de rotação da turbina para os aerofólios NACA 0008 e NACA 4308. Foi possível concluir ao analisar os valores de coeficiente de potência (Cp), Cl e Cd, que o aerofólio NACA 0008 pode ser utilizado para geração de energia elétrica, já o aerofólio NACA 4308 não deve ser utilizado para a faixa de velocidades adotadas.

This work presents the coupling between two different formulations applied to flow simulation and analysis of wind rotors, integral and differential formulations. First, for the integral formulation is defined a control volume where the variables problem are defined, as well as the necessaries working hypothesis, then a proposed mathematical modeling is defined. Simulations through NACA airfoils, using Computational Dynamic Fluids, are performed in order to evaluate drag and lift coefficients, to be used in the integral formulation. The Navier-Stokes equations are solved in house and the Smagorinsky turbulence model with Van Driest damping function is retained. The computational code is implemented with structured cartesian mesh, where the airfoil is modeled using the Immersed Boundary Methodology. The results of simulation through a NACA0012 airfoil are shown for several attack angles and Re = 10000. Results of energetic efficiency are presented for a horizontal axis wind turbine using the integral formulation, where the coefficients are given by differential formulations. / Este trabalho apresenta o acoplamento entre as duas formulações diferentes aplicadas à simulação do escoamento e análise de rotores eólicos, formulações integral e diferencial. Primeiramente para a formulação integral é definido um volume de controle onde as variáveis do problema são definidas, bem como as hipóteses simplificadoras necessárias, para então ser proposta uma modelagem matemática. Simulações do escoamento em aerofólios NACA, utilizando Dinâmica dos Fluidos Computacional, são realizadas a fim de determinar os coeficientes de arrasto e sustentação, os quais foram utilizados na formulação integral. As equações de Navier-Stokes são resolvidas em um código computacional e o modelo de turbulência de Smagorinsky com função de amortecimento de Van Driest é utilizado. O código computacional é implementado com uma malha cartesiana estruturada, e o aerofólio é modelado utilizando a Metodologia da Fronteira Imersa. Os resultados da simulação através de um aerofólio NACA0012 são mostrados para vários ângulos de ataque e Re = 10000. Os resultados de eficiência energética são apresentados para uma turbina eólica de eixo horizontal utilizando a formulação integral, onde os coeficientes são dados pelas formulações diferenciais. / Mestre em Engenharia Mecânica