Eeeddd

Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingeniería

Desarrollo de un código de interacción viscosa-invíscida orientado a turbomaquinaria
Development of a code for the viscous-inviscid interaction oriented to turbomachinery

Tesis de Doctorado de la Universidad de Buenos Aires, Área Ingeniería

Tesista: Ricardo A. Prado Director de Tesis: Dr. Sergio R. Idelsohn Codirector de Tesis: Dr.Mario A. Storti

Mayo de 2007

Jurado de Tesis

Dr. Jorge D'Elía Ing. Juan Carlos Ferreri Dr. Pablo Miguel Jacovkis Dr. Axel Eduardo Larreteguy

RESUMEN
Se describe la metodología utilizada para analizar el comportamiento fluidodinámico de un tipo particular de turbomáquina, la turbina eólica de eje horizontal. Se considera que las palas de la turbina, que presentan torsión y curvatura,trabajan bajo condiciones de rotación y viento incidente uniformes. El análisis se realiza mediante un proceso de interacción entre la zona del campo fluidodinámico en donde los efectos viscosos pueden despreciarse y la región próxima a las superficies de la pala, donde los efectos viscosos son preponderantes. La zona externa, caracterizada por un flujo invíscido, es resuelta mediante la aplicacióndel método de los paneles, técnica que representa tanto la pala como su estela helicoidal mediante un entramado de hilos vorticosos, cada uno de ellos con una circulación asociada. La capa viscosa que se desarrolla sobre las superficies es resuelta por medio de la discretización de las ecuaciones de la capa límite tridimensional de Prandtl, bajo condiciones estacionarias, en un sistema coordenadocurvilíneo no ortogonal, implementando la técnica de las diferencias finitas. Ambas soluciones numéricas están acopladas pues el flujo invíscido actúa de condición de contorno para la solución viscosa. El análisis del flujo en la capa viscosa se limita a una condición de régimen laminar, razón por la cual el presente estudio se restringe a turbinas eólicas de pequeño porte. Entre lascontribuciones de la presente tesis se destacan la modificación del modelo de Dyment para la representación de turbinas eólicas mediante la teoría de los discos actuadores y el desarrollo de las ecuaciones de la capa límite estacionaria tridimensional en componentes físicas contravariantes en un sistema coordenado curvilíneo generalizado (noortonormal ni homogéneo) solidario a una pala rotante.

i

iiABSTRACT
The methodology followed in order to analyze the fluid dynamic behavior of a particular kind of turbomachinery, the horizontal-axis wind turbine, is described. The turbine blades, that show torsion and curvature, rotate at a constant angular speed, in a uniform wind. The fluid dynamic analysis is carried out by means of a process of interaction between the zone where the viscouseffects are negligible and the region next to the blade surfaces where the viscous effects are important. The external zone, where the inviscid flow is developed, is solved by means of a panel method, being the blade and its helicoidal wake modeled by vortex filaments. The viscous layer developed on the blade surfaces is solved by the discretization of the Prandtl three-dimensional boundary layerequations, under stationary conditions, in a non-orthogonal coordinate system. The discretization is carried out applying a finite difference technique. Both numerical solutions are coupled, since the inviscid flow acts as a boundary condition for the viscous solution. Since the analysis of the viscous boundary layer is restricted to a laminar flow, the present study is also restricted to smallhorizontal-axis wind turbines. Among the most important contributions of the thesis are the modification of the Dyment's model for the actuator disk theory applied to wind turbines and the development of the steady three-dimensional boundary layer equations for the contravariant physical components in a non-orthonormal and inhomogeneous curvilinear coordinate system fixed to the rotating blade.

iii...