CFD en aerodinámica de molinos - Ingeniería Mecánica Aplicada y ...

CFD en aerodinámica de molinos
Esteban Ferrer
&
Xabier Munduate
Wind Energy Department
CENER - National Renewable Energy Centre (Spain)
AERODINÁMICA Y MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
3-9 Octubre 2007

Sumario -1
Introducción
CFD en aerodinámica de molinos
(Aplicaciones CENER)
Estudios de Perfiles
• Complementar estudios túnel de curvas
Cl/Cd/Cm vs alfa
» Extrapolación en Re
» Extrapolación en alfas
» Estudios de rugosidad
» Efecto de deformaciones locales (icing)
• Dispositivos de hipersustentación
» Control pasivo
Vortex generators
» Control activo
Soplido, succion
Microtaps, flaps, etc..
Efectos dinámicos (2D/3D unsteady)
• Plunging/flaping, torion and edgewise translation
• Dynamic stall
• Dynamic inflow
Aeroacustica de perfiles
Cuantificar efectos 3D
• Raíz (cambio 2D/3D)
• Efecto de punta de pala (tip vortex)
Terreno complejo
Estelas de aerogeneradores

Sumario -2
Estudio de punta de palas
Conceptos de aerodinámica
• Alas finitas
• Vortice de punta
Caso de Estudio
• Consideraciones de diseño
• Estudio aerodinámico de punta
Ruido
Conceptos básicos
¿Como computar ruido?
Transición en CFD
Conceptos básicos
¿Cómo computar transición?
Conclusiones

Introducción:
¿ Donde usar CFD en
aerodinámica de
aerogeneradores ?

CFD
Coste computacional alto
Difícil de utilizar (pre y post)
Condiciones
iniciales
geometría
CFD
Fuerzas
momentos
Modelo de
Turbulencia
y
transición

BEM
Muy rápidos
Fácil de utilizar
Acoplados con códigos estructurales
geometría
Corrección
Curvas 2D/3D
Corrección
punta
y
raíz
Cl-alfa 2D
Cd-alfa 2D
Cm-alfa 2D
BEM
Fuerzas
momentos
Condiciones
Iniciales
{en general no coinciden
(Re, Turb)}
Otras correciones
Yaw, efecto torre,
dynamic stall, etc…

BEM
CFD
CFD
geometría
Corrección
Curvas 2D/3D
Corrección
punta
y
raíz
Cl-alfa 2D
Cd-alfa 2D
Cm-alfa 2D
BEM
Fuerzas
momentos
CFD
Condiciones
Iniciales
{en general no coinciden
(Re, Turb)}
Otras correciones
Yaw, efecto torre,
dynamic stall, etc…
CFD
CFD

Recordatorio limitaciones BEM
Métodos basados en elementos de pala 2D
Cada sección es independiente de la contigua
Las fuerzas que actúan en una sección BEM se corresponden a las fuerzas
resultantes en un perfil 2D
Efectos 3D no son tenidos en cuenta (en particular efecto de punta y raíz de
pala)
Efectos 3D si hay separación no se tienen en cuenta
(Separación 3D ≠ separación 2D)
La separación es 2D (tenida en cuenta en curvas Cl-alfa)

CFD en
aerodinámica
de molinos

Estudio de perfiles

Perfiles 2D: Estáticos
BEM y métodos de estelas necesitan curvas 2D (corregidas a 3D)
Complementar estudios experimentales en túnel de
curvas Cl/Cd/Cm vs alfa
Extra/Interpolación en Re
Extra/Interpolación en Mach (perfiles en offshore)
Extra/Interpolación en alfas
Estudios de rugosidad
Efecto de deformaciones locales (icing)

Perfiles 2D: Estáticos

Perfiles 2D: Estáticos

Perfiles 2D: Estáticos

Dispositivos de
hipersustentación

Técnicas de control pasivas:
Vortex generators
Gurney flaps
Serrated trailing edges
Special purpose airfoils (restrained max. lift; high lift; blunt trailing edge)
Técnicas de control activas
Permiten ‘controlar’ las variaciones ambientales y cambio en fuerzas
debido a rafagas, turbulencia, cambios en direccion de viento, etc.
Actively control the loading on blade/turbine by modifying:
Blade incidence angle
Flow velocity
Blade size
Control sobre las carateristicas aerodinámicas actuando con:
Changes in section shape
Surface blowing/suction
Microtabs, gurney flaps, etc.
El control activo ya está siendo usado en molinos:
Yaw control
Blade pitch control
Blade aileron

Técnicas de control pasivas:
Vortex generators
Ref [11]

Técnicas de control activas:
Flaps y microtabs
Ref [10]

Técnicas de control activas:
Microtabs
Ref [10]

Técnicas de control activas:
Blowing
Ref [3] Turner ,T.R, “Wind tunnel investigation of Boundary-layer
control by blowing on an NACA 655-424 airfoil to effect drag reduction”, 1964, NASA

Efectos dinámicos:
1-vortex shedding
2-dynamic stall

Efectos dinámicos
(‘periodic vortex shedding’)
Ejemplo: placa plana a 45 grados (captador solar)

Dynamic Stall
α mean
=8
∆α =10
k=0.078

Lift coefficient
MESH-G-02: Cl vs AOA for the s809 for Re 1e6 and Mach=0.1
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
α mean
=8
∆α =10
k=0.078
AOA [deg]
BWT unsteady turb-3002
EXP OSU 1e6
α mean
=8
∆α =10
k=0.026
Lift coefficient
MESH-G02: Cl vs AOA for the s809 for Re 1e6 and Mach=0.1
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
AOA [deg]
BWT unsteady turb-3002
EXP OSU 1e6

Aeroacústica
de perfiles:

LES computations

Estelas y
terreno complejo

CFD en terreno complejo y prediccion de estelas
Evaluación de recursos eólicos y estimación de la producción energética en terreno complejo
Calibración numérica de emplazamiento para ensayos de curva de potencia (IEC 61400-12-2)
Evaluación de recursos eólicos Offshore (en desarrollo)
Modelos de estela en terreno complejo y offshore (en desarrollo)
Generación de mapas del recurso eólico de alta resolución (en desarrollo)
Predicción de viento y potencia. Acoplamiento con modelos de mesoscala (en desarrollo)

Estudio de punta
de pala

Conceptos de
aerodinámica
en punta de pala

Aerodinámica de alas finitas
Visualizaciones con humo de vórtice de punta en ala de avión [7]

Aerodinámica de alas finitas
Ref [8]
Ref [6] Formación de vórtice de punta
Vórtice de punta implica cambio en
angulo de ataque (‘downwash’):
Redistribución de fuerzas
Disminución del lift cerca de la punta
Se produce “induced drag” debido al
cambio en ángulo de ataque
Ref [6] Reducción de la fuerza de sustentación debido a vortice de punta

Vórtice de punta reduce las fuerzas
cerca de la punta
Disminución del lift cerca de la punta

Aerodinámica de palas en rotación
Visualizaciones con humo de estelas de aerogeneradores [2]

Aerodinámica de palas en rotación

Tip physics
Tip vortex has low pressure core

Vortice de punta para pala en rotación

Comparación de puntas

CASO DE ESTUDIO:
Comparación
de puntas

CFD set up
velocidad de viento
Vinf=8.5 m/s
Reynolds en punta
Re/c (r/R=95%) ≈ 4 x 10 6 m -1
Fluent 6.2, full N-S solver
Hybrid mesh
Steady-state simulations
Moving reference frame
Periodic boundary conditions
SST k-ω
Second order for all variables
Presto for pressure

Tested geometries
CASE 0:
Square tip 3D effects localised to
r/R>97.5%
Tested geometries
Pressure contours
Wind direction
Rotational sense
CASE 1:
Tip that ends at pitch axis has
all sections located around pitch axis
CASE 2:
Swept back tip has trailing edges of all
sections aligned
Twist distribution fixed for all cases
Case 0 Case 1
L.E.
L.E.
Case 2
L.E.
T.E.
T.E.
T.E.
r/R=97.5% r/R=97.5% r/R=97.5%
r/R=95% r/R=95% r/R=95%

Case 0 Case 1 Case 2
Cp distribution for 95% and 97.5% sections
2.5
2.0
1.5
r/R=95 % section
Xfoil 3 deg
CASE 0
CASE 1
CASE 2
2.5
2.0
1.5
r/R=97.5 % section
Xfoil 3 deg
CASE 0
CASE 1
CASE 2
-Cp
1.0
0.5
0.0
-Cp
1.0
0.5
0.0
??
-0.5
-0.5
-1.0
-1.0
-1.5
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
x/c
-1.5
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
x/c

Can 3D effects be reduced to a change in:
Stagnation pressure
(equivalent Reynolds number)
AOA
? ? ? ?

Calculation of Equivalent Reynolds number from stagnation pressure

Case 0 Case 1 Case 2
4.4E+06
4.2E+06
(Re/c) equiv
4.0E+06
3.8E+06
3.6E+06
3.4E+06
r/R
3.2E+06
0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98
!!
unperturbed flow case 0 case 1 case 2

Case 0 Case 1 Case 2
6.5
6.0
5.5
AOA) estimated
5.0
4.5
4.0
!!
3.5
More downwash for case 0
3.0
r/R
2.5
0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98
unperturbed flow case 0 case 1 case 2

Streamlines on suction side
Case 0 Case 1 Case 2
Relative velocity vectors (spanwise component) on suction side

CONDIDERACIONES
DE DISEÑO

Objective function to optimise
forces
Aerodynamics
• Do not need coefficient but use of total forces
MAX torque force
MIN thrust force
Fn
MAX F_torque/F_thrust
MAX (F_torque/F_thrust)/(tip_surface)
Fny
y
F_thrust
moments
MIN thrust moment
MAX torque moment
MAX M_torque/M_thrust
Pith+twist
F_torque = F_nx + F_tx
F_thrust = F_ny + F_ty
Pith+twist
Fnx
Ft
Ftx
Fty
F_torque
x

INTEGRATED LOADS

Case 0 Case 1 Case 2
Results for tested geometries
Aerodynamic results
Thrust and torque spanwise distribution for r/R>90%
1.25
1.00
CASE 0
CASE 1
CASE 2
1.50
1.00
CASE 0
CASE 1
CASE 2
Thrust/Thrust_ref
0.75
0.50
0.25
Torque/Torque_ref
0.50
0.00
-0.50
0.00
0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
r/R
-1.00
0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
r/R

Case 0 Case 1 Case 2
Results for tested geometries
Integrated torque and thrust forces for r/R>90%
MAX F_torque/F_thrust
(Torque / thrust) for r/R > 90%
0.100
0.090
0.080
0.070
0.060
0.050
0.040
PRESSURE
TOTAL
0.030
0.020
0.010
0.000
Case 0 Case 1 Case 2
case_001_run_015 case_002_run_013 case_010_run_010
PRESSURE 0.074246191 0.087643115 0.085797692
TOTAL 0.070620502 0.084898569 0.083053357
MAX
3
1 2

Case 0 Case 1 Case 2
Results for tested geometries
Integrated torque and thrust moments for r/R>90%
MAX M_torque/M_thrust
MIN M_torsional
(Mx/My)
(M_z)
M_torque / M_thrust for r/R > 90%
Mz for r/R > 90%
0,090
2500.000
0,080
0,070
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
2000.000
1500.000
1000.000
500.000
0,010
0,000
Case 0 Case 1 Case 2 Case 0 Case 1 Case 2
case_001_run_015 case_002_run_013 case_010_run_010
TOTAL 0,070263431 0,085128006 0,083711056
TOTAL 1212.676687 747.489550 2085.994090
0.000
case_001_run_015 case_002_run_013 case_010_run_010
MAX
3 1 2 MIN 2 1 3

Case 0 Case 1 Case 2
SUMMARY
Max
F_torque/F_
thrust
Max
F_torque/
F_thrust)/
Surface
Max
M_torque/
M_thrust
Min M_z
Aerodynamic
winner
Case 0
3
3
3
2
3
Case 1
1
1
1
1
1
Case 2
2
2
2
3
2

Case 0 Case 1 Case 2
CONCLUSIONS
Case 0
Higher forces (and moments)
Strong localised vorticity interacting with geometry (?? noisy ??)
Severe deflections
Case 1
More efficient (better ratios) although lower forces
Low torsional moment
Case 2
Increases lift locally near tip (redistribution towards the tip)
Load distribution more contribution to thrust than torque with
current twist distribution
High torsional moment

Aerodinámica de palas en rotación
Deflexion en palas Vestas [9]

Ruido en
aerogeneradores

Ruido: fuentes de ruido en molinos
Ref. “Wind turbine noise”, Wagner S.,Bareiss R, Guidati G.

Ruido: fuentes de ruido en molinos
Ref. “Wind turbine noise”, Wagner S.,Bareiss R, Guidati G.

Ruido: geometría de punta está claro como influye
Ref. “Wind turbine noise”, Wagner S.,Bareiss R, Guidati G.

Ruido: trailing edge noise parece
fuente de ruido más importante

Ruido: ¿Como calcular ruido con CFD?
(courtesy of Fluent)

Ruido: ¿Como calcular ruido con CFD?
!!!!

Ruido: ¿Como calcular ruido con CFD?
!!!!
Sólo se ha
modelado
el trailing edge

CFD y transición

4 formas de transición
Transición natural
Transición bypass
Transición por separación inducida
Transición CrossFlow (3D)
laminar
flow
turbulent
flow

formas de transición
Transición natural

formas de transición
Transición natural (Tollmien-Schlichting waves)
free stream turbulence menor que 0.1%
During the growth
of the waves, spanwise distortions
and three dimensional non linear
interactions are becoming relevant.
Finally, areas of turbulence,
denoted as turbulent spots,
start to develop in streamwise direction.
These spots grow in streamwise and
spanwise directions until the flow is
completely turbulent and thus transition is
completed.
Re ind
Re crit

formas de transición
Transición bypass
free stream turbulence
mayor que 0.4%
Bypass
> 0.4%

formas de transición
Transición por
separación inducida
Ref [12]: http://www.aero.lr.tudelft.nl

¿Porque modelizar transición?
Increase in wall shear stress.
Influence on separation behaviour.
Separation induced transition on suction side determines
reattachment point (controls stall, lift and drag)
Change in flow topology.
Efecto mas importante
es aumento de
Friction Drag

¿Porque modelizar transición?
Ejemplo con Xfoil (perfil S809)
Principio de stall
Clmax
y
alfa de Clmax
Afecta al momento
en zona lineal
Pendiente de la curva
en zona lineal
Afecta poco al drag en stall
ya que todo el drag es de presion
Cd viscoso
aumenta sin transición

¿ Como predecir transición ?
Métodos semi-empiricos
From (http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm)

¿ Como predecir transición ?
Métodos semi-empiricos
From (http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm)

Modelos de transición para CFD (implementado en CFX)
basado en variables locales
2 equaciones extras (no detalladas en documnetación)
one for intermittency (fraccion de tiempo en el que hay turbulencia en una
parte del fluido; γ=1 turbulent flow)
one for the transition onset criteria in terms of momentum thickness
Reynolds number
(calculado fuera de la BL y por diffusion trasladado hacia dentro de la BL)
freestream turbulence intensity
Pressure gradient outside the boundary layer
Es un método de correlación, la transición no está modelada
físicamente!!!
Puede calcular según CFX transición:
Natural (incluido surface roughness)
Bypass
Separation induced transition (turbulent reattachment)
No calcula: Transición CrossFlow

Modelos de transición para CFD (courtesy of CFX)

Force on a Siemens wind turbine blade

CONCLUSIONES
GENERALES

CFD es útil en aerodinámica de aerogeneradores!!
Ventajas:
CFD es una herramienta muy flexible
Resuelve todo el campo fluido (nos da información sobre
todas las variables)
Input es solamente geometría y condiciones iniciales
Efectos 3D y de rotación incluidos
Inconvenientes:
Difícil de utilizar
Costoso en tiempo de cálculo
Modelización de la turbulencia difícil
Modelización de transición

Referencias
Mecánica de Fluidos y Aerodynámica
A.M. Kuethe, C. Chow, Foundations of Aerodynamics, Wiley
H. Schlichting, K. Gersen, Bounary Layer Theory, Springer
Computational Fluid Dynamics - CFD
J.D. Anderson, Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications, McGraw-Hill
J.H. Ferziger, M. Peric, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer
Turbulencia
D.C. Wilcox, Turbulence modelling for CFD, DCW Industries, Inc.
Wind turbines
[1] Shen W.Z., Mikkelsen R., Sorensen J.N. and Bak C.. , “Tip Loss Corrections for Wind
turbine Computations”, Wind Energy Journal 2005
[2] L.J. Vermeer, J.N. Sorensen, A. Crespo, “Wind turbine wake aerodynamics”

Aerodynamica:
Referencias
[3] Turner ,T.R, “Wind tunnel investigation of Boundary-layer control by blowing on an NACA
65 5 -424 airfoil to effect drag reduction”, 1964, NASA
Sitios Web
[4] http://www.sci.hkbu.edu.hk/scilab/math
[5] http://geocities.com/fisicas/cientificos/ingenieros
[6] http://centennialofflight.gov
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Wingtip_vortices
[8] http://www.grc.nasa.gov
[9] http://www.acoustic-reality.com/usergallery/vestas.jpg
[10] http://gcep.stanford.edu/pdfs/
[11] www.microaero.com/pages/v_howvgswrk.html
[12] http://www.aero.lr.tudelft.nl
[13] http://www.efluids.com

Gracias por su atención
¿¿ Preguntas o comentarios ??