6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
6.3 CARACTERÍSTICAS DA ESTEIRA
6.3.1 DOMÍNIO TEMPORAL
Devido ao tamanho da nacele da turbina representar aproximadamente 33% da área frontal do rotor, foi constatado a necessidade de se caracterizar a influência da nacele e torre na esteira da turbina. Seguindo esta linha, foi realizado um experimento sem a presença do rotor, na condição 𝜆0.
A característica do perfil de velocidades da esteira depende do perfil de velocidades incidente na turbina. Como os aparatos experimentais (túnel e modelo de turbina) foram dimensionados para estudos de turbinas hidrocinéticas, o perfil de velocidades incidente na turbina é um perfil uniforme, como observado na Fig. (36a).
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Figura 37 – Perfis de velocidade média adimensional. As linhas horizontais pontilhadas representam as alturas Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 de baixo para cima respectiva-mente. Condição 𝜆0
Observa-se que os perfis de velocidade obtidos para a condição𝜆0, Fig. (37), apre-sentam uma forma aproximadamente Gaussiana, porém é identificado também um de-caimento vertical na posição do pico no déficit de velocidades do perfil com a distância a jusante. O decaimento está relacionado com a característica construtiva da torre da turbina, que mesmo possuindo o formato de um perfil aerodinâmico, possui um impacto considerável no perfil de velocidades. O déficit de velocidade gerado pela torre resulta em uma zona de baixa pressão abaixo da esteira principal (formada pelo rotor, porem para o caso 𝜆0 é formado somente pela nacele da turbina) atraindo a esteira principal para abaixo do eixo da turbina, alturaZ3.
Ao se introduzir o rotor na turbina, Fig. (38), observamos um aumento na mag-nitude do déficit no perfil de velocidade causada pela presença do rotor tanto na região entre as alturas Z1 e Z5 (diâmetro do rotor) como também um aumento no déficit de velocidades na região abaixo da alturaZ1, região da esteira da torre.
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Figura 38 – Perfis de velocidade média adimensional. As linhas horizontais pontilhadas representam as alturas Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 de baixo para cima respectiva-mente. Condição 𝜆1,65,
Do perfil uniforme incidente na turbina, segundo estudos anteriores (CRESPO;
HERNANDEZ, 1996) e (MEDICI; ALFREDSSON, 2006) é esperado que o perfil de velo-cidades na esteira apresente um perfil na forma de uma Gaussiana com seu eixo de simetria na altura do eixo da turbina. Nota-se que a nacele de turbinas usualmente coincide com o diâmetro do cubo do rotor. Entretanto, no estudo foi identificado a não existência de um perfil com forma Gaussiana. Isto foi atribuído principalmente pelo tamanho da nacele da turbina, que possui um diâmetro 2,5 vezes maior que o diâmetro do cubo do rotor.
Tal diferença de diâmetros muda totalmente o comportamento do núcleo da esteira da turbina devido a interação entre os vórtices helicoidais formados na raiz da pá do rotor e a nacele da turbina.
A parte superior do vórtice de raiz de pá é deslocado radialmente do eixo da turbina para a altura Z4, Fig. (38), pelo grande diâmetro da nacele, o que está refletido na inflexão no perfil de velocidades na alturaZ4. Já a parte inferior do vórtice helicoidal de raiz de pá possui sua assinatura praticamente suprimida pela interação com a esteira da turbina que apresenta um decaimento vertical. Tal afastamento do vórtice de raiz de pá do eixo do rotor provoca um pico de déficit de velocidade mais acentuado. Tais condições
impostas pelo tamanho da nacele da turbina provocam o desvio da forma do perfil de velocidade de um formato de Gaussiana.
Ao se comparar as condições de operação, Fig. (39), observamos uma relação exis-tente entre a velocidade de ponta de pá com a forma do perfil de velocidade.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 0.5 1 1.5 2
Figura 39 – Distribuição espacial dos perfis de velocidade média adimensional. As linhas horizontais pontilhadas representam as alturasZ1,Z2, Z3, Z4 eZ5 de baixo para cima respectivamente.
Analisando a região abaixo da alturaZ1, Fig. (39), observa-se que quanto menor o𝜆 maior é a influência da torre da turbina no perfil de velocidades, o que está relacionado com a redução da quantidade de movimento total da esteira principal. Observamos também que quanto maior o𝜆 menor é o decaimento dos picos de déficit do perfil de velocidade.
Observando o comportamento das três condições com rotor𝜆1,20,𝜆1,65 e𝜆2,25, Fig.
(39), observamos que os perfis se comportam de forma diferente na região acima e abaixo da altura Z3. Na região acima da altura Z3 observamos quanto menor o 𝜆 maior é o deficit gerado no perfil e conforme caminhamos a jusante da turbina, quanto menor o 𝜆 mais rápida é a recuperação do perfil. Na região abaixo da altura Z3 todos os perfis apresentam um comportamento similar.
Considerando a condição 𝜆0 como um perfil de referência, observamos que na distância 𝑥/𝑑= 5, o perfil 𝜆1,20 alcança sua recuperação máxima na altura Z4, ou seja, a influência do rotor no déficit de velocidades é praticamente recuperada.
Ao se analisar a evolução do pico de déficit de velocidade nos perfis de velocidade média, Fig. (40 a), observamos uma redução na magnitude do pico de déficit a jusante da turbina, denotando a recuperação dos perfis de velocidade. Ao se incluir a altura de
ocorrência dos picos na análise, Fig. (40 a), constatamos o decaimento vertical da altura de ocorrência do pico de déficit de velocidade, Fig. (40 b), o que está associado ao decaimento vertical da esteira devido a interação da esteira do rotor com a esteira da torre.
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 0.2 0.4 0.6
(a)
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0.8 0.9 1 1.1
(b)
Figura 40 – Magnitude dos picos de déficit de velocidade dos perfis de velocidade média (a); Altura de ocorrência dos picos de déficit de velocidade dos perfis de velocidade média (b). A linha horizontal tracejada representa a alturaZ3 e a linha horizontal pontilhada representa a altura Z2
O decaimento vertical da esteira sem a presença do rotor 𝜆0, Fig. (40 b), se esta-biliza próximo à alturaZ2 a partir de𝑥/𝑑 ≥2,5. Ao se comparar a condição 𝜆0 com as condições com rotor𝜆̸=0, observa-se que para maiores valores de 𝜆 menor é o decaimento vertical, entretanto, para a condição𝜆1,20os picos na região de esteira próxima ocorreram em alturas superiores ao esperado, fato o qual foi associado ao maior déficit de velocidades imposta na condição 𝜆1,20 na região acima da altura Z3, como pode ser identificado na Fig. (39).
Concluímos que em menores valores de 𝜆 a esteira é mais suscetível a influência externa e para maiores valores de𝜆 menor é a tendencia da esteira se desviar do seu eixo de simetria, devido a maior quantidade de movimento imposta à esteira pelo rotor.
De forma a se contabilizar a influência da nacele e da torre da turbina ao perfil de
velocidades, calculamos os perfis de déficit de velocidades. O perfil de déficit de velocidade é uma analogia ao escoamento potencial, onde fazemos a suposição que o escoamento resultante é decorrente da superposição de escoamentos distintos. Para o caso em análise o escoamento de esteira da turbina com rotor seria a superposição do escoamento de esteira formado pela nacele e a torre da turbina e do escoamento de esteira formado pelo rotor. Desta forma os perfis de déficit foram obtidos subtraindo do perfil de velocidades na condição com rotor (𝜆1,20, 𝜆1,65 e𝜆2,25) do perfil de velocidade na condição 𝜆0.
Δ𝑈𝜆𝑖 =𝑈𝜆𝑖−𝑈𝜆0 (6.1)
𝑖= [1,20; 1,65; 2,25]
Os perfis de deficit de velocidade, Fig. (41), indicam uma concentração do deficit de velocidades na região de ponta de pá Z1 e Z5, onde tais concentrações apresentam uma atenuação com a distância e uma reconcentração na região entre as alturasZ1 eZ2.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 0.5 1 1.5 2
Figura 41 – Distribuição espacial dos perfis de déficit de velocidade Δ𝑈𝜆̸=0 =𝑈𝜆̸=0−𝑈𝜆0. Aslinhas horizontais pontilhadas representam as alturasZ1,Z2,Z3,Z4 eZ5 de baixo para cima respectivamente.
Ao se analisar o perfil de intensidade de turbulência na condição 𝜆0, Fig. (42), observamos uma concavidade nos perfis na alturaZ2, o que está relacionado ao desenvol-vimento da esteira da nacele da turbina. No perfil𝑥/𝑑= 1,5 identificamos que os picos de intensidade de turbulência ocorrem com o mesmo espaçamento entre as alturasZ2 e Z3, porem deslocados verticalmente para baixo, devido a interação da esteira da torre com a esteira da nacele.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Figura 42 – Perfil de intensidade de turbulência. Aslinhas horizontaispontilhadas repre-sentam as alturas Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 de baixo para cima respectivamente.
Condição 𝜆0
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
0 0.5 1 1.5 2
Figura 43 – Distribuição espacial dos perfis de intensidade de turbulência. As linhas ho-rizontais pontilhadas representam as alturas Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 de baixo para cima respectivamente.
Na Figura (43) estão apresentadas as quatro condições de operação sobrepostas em suas respectivas distâncias a jusante da turbina. Os maiores valores de intensidade de turbulência foram encontrados em 𝑥/𝑑 = 3 na altura Z5 para a condição 𝜆1,20, em 𝑥/𝑑= 1,5 entre Z2 e Z3 para a condição𝜆1,65 e próximo de Z1,Z2 eZ4 para a condição 𝜆2,25. A comparação entre os picos de intensidade de turbulência foi muito afetada pela característica da nacele da turbina, pois ao se observar a Fig. (42) identificamos que a condição 𝜆0 apresenta os maiores valores de intensidade de turbulência na distância 𝑥/𝑑= 1,5.
A assinatura do vórtice helicoidal de ponta de pá, Fig. (43), é identificado na altura Z5 onde está exposto a altos gradientes de velocidade encontrados no limite da esteira com o escoamento não perturbado acima da turbina. Já o vórtice helicoidal de ponta de pá na alturaZ1 não possui uma assinatura tão evidente devido a esteira da torre da turbina proporcionar a difusão do incremente de intensidade de turbulência fornecido pela ponta da pá.
Analisando a distribuição de intensidade de turbulência na condição 𝜆1,65, Fig.
(44), identificamos que região da esteira próxima𝑥/𝑑≤3 coincide com estudos anteriores (CRESPO; HERNANDEZ, 1996) (VERMEER; SøRENSEN; CRESPO, 2003) (MEDICI;
ALFREDSSON, 2006), onde o pico de intensidade de turbulência ocorre no final desta região em𝑥/𝑑= 3 na altura do vórtice helicoidal de ponta de pá na altura Z5.
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Figura 44 – Distribuição espacial da intensidade de turbulência. As linhas horizontais tracejadas representam as alturas Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 de baixo para cima respectivamente. As linhas verticais tracejadas representam os perfis coleta-dos. Condição 𝜆1,65
A esteira intermediária 3 < 𝑥/𝑑 ≤ 5 identificada em estudos anteriores por (CRESPO; HERNANDEZ, 1996) (GóMEZ-ELVIRA et al., 2005) (WERLE, 2008) (SAN-DERSE, 2009), é a região onde a difusão turbulenta se incia formando uma camada anular
de cisalhamento devido aos altos gradientes entre a região interna da esteira e externa (escoamento não perturbado) de forma mais intensa na parte superior da esteira e de forma menos intensa na parte inferior da esteira (alturasZ5 eZ1 respectivamente), onde a partir da distância 𝑥/𝑑 = 3 a camada experimenta uma expansão devido a difusão turbulenta. Tal expansão alcança o núcleo da esteira no final da esteira intermediaria e o início da esteira distante𝑥/𝑑≤5.
A camada pode ser identificada na Fig. (44), onde há uma duas regiões de con-centração de magnitude de intensidade de turbulência nas alturasZ5 e Z1 em 𝑥/𝑑 = 3, quando rotacionadas em torno de algum ponto entre as alturas Z2 e Z3 formariam uma região anular de aumento de intensidade de turbulência, onde a partir de 𝑥/𝑑 = 3 esta camada anular se expande radialmente até o eixo da turbina, resultando em um fluxo vertical descendente de turbulência.
De forma análoga ao desenvolvimento dos perfis de déficit de velocidade, foi reali-zada uma aproximação de escoamento potencial para os perfis de intensidade de turbulên-cia. Com o intuito de melhor compreender a contribuição de intensidade de turbulência imposta pela presença do rotor na esteira, foi subtraído de cada perfil na condição com rotor (𝜆1,20, 𝜆1,65 e 𝜆2,25) o perfil de intensidade de turbulência da condição sem rotor 𝜆0 para todas as distâncias horizontais. equação (6.3.1). Assim as grandes magnitudes de intensidade de turbulência encontradas na região da esteira próxima (0 ≥ 𝑥/𝑑 ≤ 3) decorrentes a esteira da nacele e torre da turbina serão retiradas dá análise dos perfis de intensidade de turbulência.
𝐼𝜆+𝑖 =𝐼𝜆𝑖 −𝐼𝜆0 (6.2)
𝑖= [1,20; 1,65; 2,25]
Na figura (45) está apresentado os perfis de adição de intensidade de turbulência 𝐼+ para a condição de 𝜆1,65, observamos que os perfis estão de acordo com resultados anteriores de (CHAMORRO; PORTé-AGEL, 2009), onde constataram que o perfil 𝐼+ aprecia incrementos positivos na altura Z5 e incrementos negativos na altura Z1 decor-rentes ao vórtice helicoidal de ponta de pá. Tais incrementos são mais evidentes na região da esteira próxima. Na esteira intermediária (3≤𝑥/𝑑≤5) há decréscimo na intensidade de turbulência do vórtice helicoidal de ponta de pá superior próximo da altura Z5 e um acréscimo da intensidade de turbulência em toda esteira abaixo da altura Z4, tais varia-ções de intensidade de turbulência evidência o fluxo descendente de turbulência em toda a esteira.
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Figura 45 – Perfil de adição de intensidade de turbulência 𝐼𝜆+
1,65 = 𝐼𝜆1,65 −𝐼𝜆0. As linhas horizontais pontilhadas representam as alturasZ1,Z2, Z3, Z4 eZ5 de baixo para cima respectivamente. Condição 𝜆1,65
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Figura 46 – Distribuição espacial da adição de intensidade de turbulência𝐼𝜆+
1,65 =𝐼𝜆1,65− 𝐼𝜆0. As linhas horizontais tracejadas representam as alturasZ1,Z2,Z3,Z4 e Z5 de baixo para cima respectivamente. Aslinhas verticais tracejadas repre-sentam os perfis coletados. Condição 𝜆1,65
Ao compararmos a distribuição de intensidade de turbulência Fig. (44) com a distribuição de adição de intensidade de turbulência 𝐼+ Fig. (45) podemos perceber a contribuição do rotor para a intensidade de turbulência da esteira, onde o rotor induz
principalmente grandes flutuações na altura de ponta de pá Z5 e abaixo da altura Z1, conseguimos observar de forma mais clara o desenvolvimento da camada de cisalhamento anular que se expande radialmente para o centro do eixo da turbina a partir da distância 𝑥/𝑑= 3.
Um ponto que deve ser explicitado reside no tipo de sonda utilizada para realizar as medições. Como foi utilizado uma sonda unidimensional, esta captura a composição planar das componentes de velocidade 𝑢 e 𝑤, na direção 𝑥 e 𝑧 respectivamente. Logo, os perfis na condição 𝜆0 estão capturando uma esteira de turbulência sem a presença do rotor, que induz flutuações de velocidade de maior magnitude na direção preferencial do escoamento. Desta forma é de se esperar que o perfil de intensidade de turbulência na condição 𝜆0 apresente uma grande magnitude na direção 𝑥 quando comparado as outras condições com o rotor, pois nestas condições há uma parcela de intensidade de turbulência tangencial e radial imposta pelo giro do rotor que não estão sendo registrada pela sonda.