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Tipo: Tese
Título: Desenvolvimento de uma metodologia aerodinâmica e estrutural para análises de problemas de interação fluido estrutura em turbinas eólicas de eixo horizontal
Autor(es): Loureiro, Eric Vargas
Primeiro Orientador: Hallak, Patricia Habib
Co-orientador: Barbosa, Flávio de Souza
Membro da banca: Camata, José Jerônimo
Membro da banca: Lopes, Vitor Mainenti Leal
Membro da banca: Alves, José Luis Drummond
Membro da banca: Pfeil, Michèle Schubert
Resumo: Esta tese propõe uma abordagem abrangente para a avaliação do comportamento estrutural e aerodinâmico de pás de turbinas eólicas, com ênfase na interação fluido-estrutura (FSI), fundamentada em técnicas numéricas avançadas. Inicialmente, conduziram-se análises modais em duas geometrias semelhantes de pás, diferenciadas por suas propriedades estruturais: uma modelada por elementos sólidos tridimensionais com seções equivalentes homogêneas, e outra por elementos de casca estratificados (“layers”), considerando-se a natureza anisotrópica de materiais compósitos. As frequências naturais e os modos de vibração extraídos foram validados frente à literatura, destacando-se a identificação do primeiro modo de torção exclusivamente no modelo de casca. Na sequência, foram realizadas simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) acopladas a modelos rotacionais distintos — referencial estacionário com rotação implícita (MRF) e técnica de malha deslizante (AMI) — para capturar com precisão os fenômenos transientes associados ao escoamento não uniforme sobre o rotor. As análises de empuxo e torque, sob diferentes intensidades de vento incidente e regimes de turbulência, demonstraram consistência com dados experimentais e forneceram subsídios para a escolha criteriosa do modelo cinemático conforme a aplicação. Por fim, duas configurações de acoplamento FSI foram investigadas: (i) uma pá isolada, fixada, submetida a vento turbulento, visando a caracterização de sua deflexão temporal e resposta dinâmica; e (ii) um rotor simplificado, submetido simultaneamente à rotação e deformações induzidas pelo escoamento, implementando-se uma metodologia de acoplamento de malhas com movimentos compostos. Os resultados numéricos obtidos, corroborados por resultados da literatura e análises qualitativas, evidenciam a robustez da modelagem adotada, reforçando a relevância da interação fluido-estrutura no aprimoramento do desempenho estrutural e aeroelástico de turbinas eólicas modernas empregando materiais compósitos.
Abstract: This thesis proposes a comprehensive approach for evaluating the structural and aerodynamic behavior of wind turbine blades, with an emphasis on fluid-structure interaction (FSI), based on advanced numerical techniques. Initially, modal analysis were conducted on two similar blade geometries, distinguished by their structural properties: one modeled using three-dimensional solid elements with homogenized equivalent sections, and the other using stratified shell elements (layers), accounting for the anisotropic nature of composite materials. The extracted natural frequencies and vibration modes were validated against the literature, with the first torsional mode being captured exclusively in the shell-based model. Subsequently, computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed, coupled with distinct rotational modeling strategies — stationary reference frame with implicit rotation (MRF) and sliding mesh technique (AMI) — to accurately capture the transient phenomena associated with non-uniform flow over the rotor. The analyses of thrust and torque under varying wind intensities and turbulence regimes demonstrated consistency with experimental data and provided a basis for the informed selection of the appropriate kinematic model depending on the application. Finally, two FSI coupling configurations were investigated: (i) a fixed, isolated blade subjected to turbulent wind, aimed at characterizing its time-dependent deflection and dynamic response; and (ii) a simplified rotor undergoing simultaneous rotation and deformation induced by the flow, employing a mesh coupling methodology under compound motion. The numerical results obtained, supported by literature benchmarks and qualitative assessments, demonstrate the robustness of the adopted modeling strategy and reinforce the relevance of fluid-structure interaction in enhancing the structural and aeroelastic performance of modern wind turbines employing composite materials.
Palavras-chave: Turbinas
FSI
Aerodinâmica
Estruturas
Turbines
Aerodynamics
Structures
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19707
Data do documento: 19-Ago-2025
Aparece nas coleções:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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