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COMPARTILHANDO CONHECIMENTOS EXCLUSIVOS SOBRE CULTURA E ENGENHARIA

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Matheus Braga

Acoplamento Fluido-Estrutura aplicado em Turbinas Eólicas


1. Introdução


Atualmente é possível observar diversos problemas que necessitam de uma análise integrada entre métodos diferentes para uma correta interpretação dos efeitos resultantes. Em diferentes cenários da engenharia são verificadas estruturas rígidas submetidas a carregamentos devido a ação de escoamentos, os quais influenciam de forma relevante em seu funcionamento.


Nesses casos, faz-se necessário um estudo integrado entre a fluidodinâmica computacional (CFD) e a análise por elementos finitos (FEA). Tal realização acoplada recebe o nome de análise FSI (Fluid–structure interaction ou Interação Fluido-Estrutura).


Uma dessas aplicações que vem ganhando notoriedade com o desenvolvimento de sistemas renováveis de energia consiste na análise de plantas eólicas e aerogeradores. Em aplicações de sistemas eólicas a análise CFD é importante para mapear o escoamento em um determinado campo de turbinas, além de avaliar o relevo de uma região de interesse. Além disso com a análise CFD é possível obter os carregamentos de ventos os quais uma torre eólica encontra-se submetida, informação esta que consiste em um fator ambiental de extrema importância no dimensionamento estrutural da torre. Assim, com o uso da posterior análise FEA é possível avaliar a integridade das estruturas quando submetido a determinado regime de carregamentos, além de compreender fenômenos dinâmicos como suas frequências naturais de vibração e vida em fadiga.



2. Estudo de uma Turbina Eólica


O estudo de uma turbina eólica passa por análises de rotação das pás frente à aplicação de um carregamento de força horizontal. Esta força é obtida através de análises fluidodinâmicas e representa a ação do vento na face frontal das pás. Tais forças aplicadas geram esforços na estrutura provocando deformações e deslocamento de corpo rígido devido a rotação. A complexidade deste tipo de simulação está presente em dois pontos principais: primeiro o acoplamento FSI em one-way ou two-way e o segundo devido aos contatos entre os múltiplos componentes e as grandes diferenças de escala entre eles.


Figura 1: Água subindo por tubos capilares de diferentes diâmetros.


As tensões desenvolvidas nas pás são transferidas para a nacele através de equações lineares que simulam o contato entre as partes. Tais tensões se transferem para a base da torre onde podem ser lidas como forças de reação e um estudo posterior de solo pode ser feito obtendo consequente as reações no solo.


Figura 2: Análise de CFD

Figura 3: Análise FEA



3. Etapas a serem implementadas


Em um problema típico one-way aplicado à análise de aerogeradores verifica-se a seguinte sequência de etapas:


Figura 4: Esquema de acoplamento entre as etapas para uma análise FSI de uma via


  1. Escolha dos métodos de acoplamento e protocolos de comunicação entre os dados dos participantes Fluido e Sólido;

  2. Imposição das condições iniciais e propriedades do fluido. Etapa em que são configuradas velocidade, pressão e parâmetros de turbulência;

  3. Análise via fluidodinâmica computacional (CFD);

  4. Obtenção dos resultados como sendo de componentes de forças nos centróides das faces da malha de CFD;

  5. Realização da interpolação das resultados obtidos para obtenção de forças nas faces;

  6. Acoplamento realizando a imposição das forças nas faces da malha a ser usada no método de elementos finitos (FEA);

  7. Realização da análise FEA;

  8. Obtenção dos resultados sob a forma de deslocamentos nos nós.


4. Comunicação entre os Participantes


Os participantes dizem respeito aos solvers adotados na simulação, podendo ser o solver de CFD ou de FEA.


Para cada dois participantes que devem trocar dados, deve ser estabelecida uma forma da comunicação ocorrer. Com isso, tem-se um canal de comunicação. A rede usada é padronizada para a rede de loopback do seu sistema operacional, que permite a execução de vários participantes em uma única máquina. Porém, também é possível a especificação de participantes localizados em clusters.



5. Tipo do Acoplamento


Quanto ao tipo de acoplamento adotado entre as análises que compõem uma simulação FSI tem-se as opções de acoplamento em série ou em paralelo, podendo ser implícitos ou explícitos.

  • Acoplamento em série refere-se à execução em que um participante se inicia após o outro ter concluído. Já o paralelo refere-se à execução simultânea de ambos os participantes;

  • Com um esquema de acoplamento explícito, ambos os participantes são executados apenas uma vez por janela de tempo, não necessitando a ocorrência da convergência. Dessa forma, trata-se de um acoplamento mais simples, porém que pode levar a instabilidades;

  • Com um esquema implícito, os participantes são executados várias vezes até a convergência, sendo possível controlar uma série de parâmetros, como por exemplo o número máximo de iterações e o coeficiente de convergência relativa.



6. Referência


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