Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39229
Título: Hawt composite smart blade aeroelastic optimization
Título(s) alternativo(s): Otimização aeroelástica de pá compósita inteligente para HAWTs
Autor(es): Farias, Tiago Felipe Gaiguer
Orientador(es): Luersen, Marco Antônio
Palavras-chave: Turbinas eólicas
Aerodinâmica
Aeroelasticidade
Materiais compostos
Energia eólica
Otimização estrutural
Interação fluido-estrutura
Wind turbines
Aerodynamics
Aeroelasticity
Composite materials
Wind power
Structural optimization
Fluid-structure interaction
Data do documento: 11-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: FARIAS, Tiago Felipe Gaiguer. Hawt composite smart blade aeroelastic optimization. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: A crescente demanda por soluções energéticas sustentáveis tem impulsionado pesquisas voltadas à melhoria da eficiência de turbinas eólicas, especialmente em aplicações urbanas e descentralizadas. Uma abordagem promissora é a adaptação aerodinâmica passiva por meio do acoplamento aeroelástico empregando materiais compósitos laminados, de forma que a resposta estrutural da pá contribui para otimizar seu desempenho aerodinâmico. Este trabalho investiga a influência do acoplamento entre flexão e torção (bend-twist) sobre o desempenho de potência de turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWTs). Utilizando lâminas unidirecionais em matriz epóxi, é obtido um laminado cujas deformações de flexão e torção são intrinsecamente acopladas. Sob carregamentos aerodinâmicos, a pá deforma-se elasticamente, adaptando-se ao escoamento de forma passiva e favorecendo o desempenho da turbina sem necessidade de controle ativo. Uma pá é projetada com base na Teoria do Momento de Elemento de Pá (Blade Element Momentum Theory – BEM), e sua resposta aeroelástica é analisada via interação fluido–estrutura. Para reduzir o custo computacional durante o processo de otimização, aplica-se metamodelagem por funções de base radial para aproximar as respostas de simulação e guiar um algoritmo genético de otimização. O objetivo é maximizar a potência extraída em função da sequência de laminação nas faces superior e inferior da pá. Os resultados finais apontam para um aumento superior a 8% na potência extraída pela pá com acoplamento flexão-torção em comparação a uma pá de material isotrópico, validado no modelo completo via nova simulação. Os resultados evidenciam o potencial do acoplamento em materiais compósitos como mecanismo passivo para melhoria da eficiência de turbinas eólicas, especialmente em instalações de pequeno porte ou ambientes urbanos.
Abstract: The global demand for sustainable energy solutions has driven continuous research into improving the efficiency of wind turbines, especially for decentralized and urban applications. One promising avenue is the integration of passive aerodynamic adaptability through aeroelastic tailoring, employing laminated composite materials, such that the structural response of the blade assists in optimizing its aerodynamic performance. This study investigates the influence of bend-twist coupling on the power output of horizontal-axis wind turbines (HAWTs). Unidirectional plies are used to create a composite laminate whose bending and torsional deformations are intrinsically coupled. When subjected to aerodynamic loads during operation, the blade undergoes elastic deformations that passively adapt its geometry to the flow, enhancing performance without active control mechanisms. A blade is designed using Blade Element Momentum Theory (BEMT), and its aeroelastic behavior is analyzed through reciprocal fluid–structure interaction. To reduce computational cost during the optimization process, radial basis function metamodeling is applied to approximate simulation responses and feed a genetic optimization algorithm. The optimization seeks to maximize extracted power based on the lamination sequence on both the upper and lower faces of the blade. Final results indicate over 8% increase in extracted power for the bend-twist coupled blade compared to a blade built from isotropic material, as confirmed by one more simulation with the full numerical model. These results highlight the potential of composite materials in coupling bend-twist as a passive mechanism to improve wind turbine efficiency, particularly for small-scale or urban installations.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39229
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
hawtcompositebladeoptimization.pdf5,09 MBAdobe PDFThumbnail
Visualizar/Abrir


Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons Creative Commons