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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25345| Título: | Projeto hidrodinâmico de turbina hidrocinética por meio de simulação numérica computacional e técnicas de otimização |
| Título(s) alternativo(s): | Hydrodynamical project of a hydrokinetic turbines through computational simulation and optimization techniques |
| Autor(es): | Labigalini, Luan Cavalari |
| Orientador(es): | Salvo, Ricardo de Vasconcelos |
| Palavras-chave: | Hidrodinâmica Turbinas hidráulicas Simulação (Computadores) Otimização matemática Hydrodynamics Hydraulic turbines Computer simulation Mathematical optimization |
| Data do documento: | 13-Mai-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Londrina |
| Citação: | LABIGALINI, Luan Cavalari. Projeto hidrodinâmico de turbina hidrocinética por meio de simulação numérica computacional e técnicas de otimização. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2021. |
| Resumo: | Mini turbinas eólicas e turbinas hidrocinéticas são formas acessíveis de descentralizar a geração de energia a partir de recursos renováveis. A fim de melhor aproveitar essas fontes disponíveis e projetar futuros equipamentos mais eficientes, este trabalho visa desenvolver uma otimização de layout de uma turbina hidrocinética. Primeiramente, o método Blade Element Momentum (BEM) é aplicado para validar os modelos aerodinâmicos da literatura com dados experimentais. É pretendido replicar o funcionamento e o desempenho da turbina. As curvas de potência e empuxo foram reproduzidas de acordo com a variação da razão de velocidades de ponta. Depois, tal previsão fora submetida a algoritmos metaheurísticos baseados no comportamento da natureza, com intuito de encontrar os melhores parâmetros de projeto para um ambiente hipotético sujeito à demanda de eletricidade de uma única pessoa. A otimização foi realizada em relação à potência e à inércia das pás, e as variáveis de entrada foram o diâmetro do rotor, o número de pás e a velocidade de rotação. A turbina desenvolvida foi simulada computacionalmente no formato de DFC, a fim de validar os resultados de torque. Em terceiro lugar, uma correção relativa ao coeficiente de arrasto e sustentação foi conduzida com base nos efeitos de solidez entre as pás. Ele foi construído a partir de parâmetros obtidos das simulações DFC de uma série de hidrofólios. Finalmente, uma protuberância foi adicionada à borda de ataque do hidrofólio com o objetivo de diminuir o arrasto e melhorar a sustentação. O efeito da cavitação foi levado em consideração e tentou ser evitado no cálculo de dimensionamento da corda. O algoritmo mais eficiente pôde encontrar uma turbina com um coeficiente de potência 18% menor que o Limite de Betz. O efeito de solidez promoveu 8,15% de diferença em comparação com o coeficiente de potência otimizado. A protuberância prejudicou o coeficiente de sustentação e arrasto e tornou possível o efeito de cavitação. Seu impacto na inércia das pás foi um aumento de 177,61%. |
| Abstract: | Small wind turbines (SWT) and hydrokinetic turbines (HT) are affordable ways to distribute power generation from renewable resources. In order to better harness such available sources and to design future equipment as efficient as possible, this work aims to develop a layout optimization. Firstly, the Blade Element Momentum (BEM) method is applied to validate the aerodynamic models from literature with experimental data. It intends to replicate turbine operation and its performance. The power and thrust curves could be wellpredicted according to tipspeed ratio (TSR) variation. Secondly, metaheuristic algorithms based on natural behaviour are used to find the best hydrokinetic turbine design in a hypothetical environment subjected to a single person's electricity demand. The optimization was carried out concerning power and blade inertia, and the layout parameters used as input were the rotor diameter, the number of blades, and the rotational speed. The turbine developed was simulated in a CFD manner, in order to validate torque result. Thirdly, a correction concerning drag and lift coefficient was conducted based on solidity effects between blades. It was built from parameters obtained at CFD simulations of an hydrofoil array. Finally, a protuberance was added into hydrofoil’s leading edge aiming a decrease of drag and an improvement of lift. Cavitation effect was taking into account and tried to be avoided at chord calculation. The most efficient algorithm could find a turbine with a power coefficient 18% lower than the Betz Limit. The solidity effect promoted 8,15% of difference in comparison with optimized power coefficient. The protuberance harmed lift and drag coefficient, and allowed cavitation effect. Its impact on blade inertia was a growth of 177,61%. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25345 |
| Aparece nas coleções: | LD - Engenharia Mecânica |
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