Determinación de las características aerodinámicas de perfiles para aerogeneradores de baja potencia utilizando dinámica de fluidos computacional

Abstract

La teoría de elemento de pala y conservación de la cantidad de movimiento (BEM, por <i>Blade Element-Momentum Theory</i>) constituye la base usualmente empleada para el diseño de Aerogeneradores de Baja Potencia. Esta teoría requiere del conocimiento <i>a priori</i> de los coeficientes de sustentación y arrastre de los perfiles aerodinámicos que conforman la sección de las palas, los cuales suelen obtenerse de forma experimental. Cuando no se dispone de datos experimentales, una opción es utilizar técnicas CFD (<i>Computational Fluid Dynamics</i>) a fin de obtener las características aerodinámicas del perfil mediante la simulación del flujo en el rango de operación. Las palas de los Aerogeneradores de Baja Potencia trabajan en un régimen de flujo considerado de bajo número de Reynolds, típicamente por debajo de 5e5. En este régimen es posible que la capa límite laminar se separe y, bajo ciertas circunstancias, vuelva a adherirse corriente abajo formando lo que se conoce como burbuja de separación laminar (LSB, por <i>Laminar Separation Bubble</i>). La formación de las LSBs puede provocar una disminución del coeficiente de sustentación del perfil y un aumento del coeficiente de arrastre, como así también generar un bucle de histéresis de estos coeficientes en la región del <i>stall</i>. La simulación por CFD de este tipo de flujos requiere por lo tanto del empleo de modelos de turbulencia que sean capaces de representar dichos fenómenos. En este trabajo se comparan dos modelos de turbulencia de tipo EVM (<i>Eddy Viscosity Model</i>) para las ecuaciones RANS (<i>Reynolds-Average Navier-Stokes</i>): una versión modificada del modelo SST (<i>Shear Stress Transport</i>) k-omega, en la cual se emplea la versión para bajos números de Reynolds del modelo k-omega, y el modelo transicional kT-kL-omega actualizado con las últimas correcciones introducidas por sus autores. Las modificaciones a ambos modelos fueron implementadas en la suite OpenFOAM®, software que se utilizó para simular el flujo alrededor de un perfil Wortmann FX63-137 para ángulos de ataque comprendidos entre -6 y 12 grados, y números de Reynolds entre 1e5 y 5e5. Los resultados obtenidos son contrastados con datos experimentales y numéricos disponibles en la literatura.