Aeroelasticidad computacional de grandes aerogeneradores: estado del arte, desafíos y áreas de vacancia

Abstract

El objetivo de este trabajo es presentar el estado del arte, los desafíos y las áreas de vacancia en lo relativo al análisis aeroelástico computacional, con un enfoque de co-simulación, de grandes turbinas eólicas de eje horizontal. El material expuesto servirá como base para la orientación de trabajos futuros en esta rama de la mecánica aplicada y como introducción de los aspectos fundamentales para quienes se inicien en el tratamiento de problemas acoplados con un abordaje multifísico. La simulación de sistemas complejos, compuestos de varios subsistemas que interactúan, es importante en muchos campos de la ciencia y en aplicaciones tecnológicas. Una manera de abordar tales problemas es mediante un enfoque de co-simulación, es decir, mediante la ejecución simultánea de múltiples simuladores, uno para cada uno de los subsistemas que interactúan. El desarrollo de tal tipo de herramienta requiere la definición de algoritmos de interacción para vincular las soluciones generadas por cada uno de los simuladores a nivel numérico, tanto espacial como temporalmente. El análisis aeroelástico de turbinas eólicas mediante el paradigma de co-simulación incluye, al menos, tres componentes: un modelo estructural para determinar la respuesta de la máquina a las cargas aerodinámicas, un modelo aerodinámico para calcular las cargas actuantes sobre la máquina, y un método de interacción para vincular los dos modelos antes mencionados.El abordaje de co-simulación debe producir soluciones comparables a aquellas que se obtendrían mediante un adecuado enfoque monolítico. La elección del método de interacción dependerá fuertemente de los modelos estructural y aerodinámico utilizados. La decisión sobre qué submodelos utilizar estará basada, en cambio, en el aspecto que desee estudiarse: las exigencias sobre cada sub-simulador son muy diferentes si se requiere, por ejemplo, estudiar la interacción entre las estelas vorticosas generadas por cada una de las turbinas que conforman un parque eólico, o si se desea predecir la delaminación en el material compuesto utilizado para construir las palas de una turbina cuando estas están sometidas a la carga de trabajo máxima. Diferencias sustanciales están asociadas también al costo computacional esperado. En este trabajo se analizan los diferentes aspectos involucrados en el análisis computacional multifísico del comportamiento aeroelástico de grandes aerogeneradores de eje horizontal. Se presentan y comparan diferentes alternativas utilizadas en la actualidad, tanto en el ámbito académico como en el industrial. Además, se realiza un análisis de las áreas poco desarrolladas y que podrían tener impacto en un futuro cercano para el desarrollo de turbinas y parques eólicos.