Dissertação de Mestrado

Com o crescimento da população mundial, novas e mais eficientes formas de geração de energia são procuradas, dado o aumento da demanda energética. Essa busca tem como objetivo diminuir a agressão ao meio ambiente, levando às fontes renováveis, como por exemplo, a energia eólica. Visando contribuir para um maior entendimento do tema, o presente trabalho tem como foco o estudo da interação fluido-estrutura em torres de turbinas eólicas de eixo horizontal utilizando o programa Ansys. Para tal, esta pesquisa consiste em primeiramente expor o panorama mundial e brasileiro de geração de energia, ressaltando a importância da energia eólica nas respectivas matrizes energéticas. Após destacar a relevância do tema, é realizada uma revisão bibliográfica sobre turbinas eólicas, são citados alguns trabalhos relevantes sobre o tema e são apresentadas expressões para a implantação desse tipo de gerador de energia. Em seguida, exploram-se os conceitos importantes para o entendimento da interação fluido-estrutura, tais como a mecânica dos fluidos e a mecânica dos sólidos. Com esse embasamento teórico, é explicado o procedimento de modelagem para solucionar esse tipo de problema de utilizando ferramentas computacionais. Para a análise fluidodinâmica, é utilizado o Ansys Fluent, cujos resultados são exportados para o módulo estático estrutural do Ansys, a fim de realizar um estudo de interação fluido-estrutura de uma via. Sobre os modelos desenvolvidos, primeiro é realizada a validação da metodologia com formulações analíticas e comparação com um trabalho de referência, onde em ambos os casos é estudada a ação do vento em uma única pá de um rotor de turbina eólica. Validada a metodologia, trabalhando com as turbinas do projeto WindPACT da NREL, são analisadas primeiramente apenas pás sozinhas na condição nominal. Após esses modelos, são analisados os conjuntos compostos pelas torres, naceles e cubos para as diferentes potências nominais, incluindo as reações de apoio das pás como forças atuantes no cubo. Os modelos produzidos têm diferentes conjuntos de parâmetros de entrada, visando verificar a estrutura das torres eólicas modeladas sob diversas condições operacionais. Com esses resultados, desenvolve-se um roteiro para a realização de análises de interação fluido-estrutura de uma via em turbinas eólicas. Dessa forma, o presente trabalho busca contribuir com futuras pesquisas para o aprimoramento das análises e do desempenho estrutural de turbinas eólicas.

As the world population grows, new and more efficient ways of energy generation are sought, given the increase in energy demand. This search aims to reduce the environment aggression by using renewable sources, such as wind energy. Aiming to contribute to a better understanding of the subject, this work focuses on the study of fluid-structure interaction in Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) towers using the software Ansys. For this end, the present research consists of exposing the world and Brazilian panorama of energy generation, emphasizing the importance of wind energy in in their respective energy matrices. Showed the relevance of the subject, a bibliographical review of wind turbines and research relevant to this topic is done, beyond the presentation of important correlations in the implementation of wind turbines. After this, important concepts for understanding fluid-structure interaction are explained, such as the theories of fluid mechanics and solid mechanics. With the theoretical basis, the modeling procedure is explained, where Ansys Fluent is used for the fluid dynamics analysis and those results are exported to the Ansys Static Structural module to perform a one-way fluid-structure interaction study. First, the methodology is validated with analytical formulations and a comparison with a reference work, where the action of the wind on a single blade of a wind turbine rotor is studied. Once the methodology is validated, the geometries of the wind turbines from NREL's WindPACT project are analyzed. Primarily, only blades alone in the rated condition and in the sequence the sets composed of the towers, nacelle and hub are analyzed for the different nominal powers, including the support reactions of the blades as forces acting on the hub. The models produced have different sets of input parameters, aiming to verify the structure of the wind turbines modeled under different operating conditions. With these results, a guide is developed for performing a one-way fluid-structure interaction study of a wind turbine. Thus, this work seeks to contribute to future research to improve the analysis and structural performance of wind turbines.