Upstream tower effect on wind turbine blade flow

Abstract

The present work is focused on the study of the upstream tower effect on wind turbine blade flow through the employment of simplified methods. The state-of-the-art on aerodynamic loading predictive methods is presented and discussed through the comparison of their advantages and disadvantages, with emphasis on Engineering (or Potential Flow) Methods, on which the present work is based. The quality of results attained by Engineering Methods is also discussed. A short chapter on dimensional analysis is included, as the governing dimensional parameters are of major important in this context. The potential flow theory is also presented, as its solutions are of the utmost importance to describe the flow around the tower. Thereafter, the lift and drag coefficients are calculated with the use of the panel-method-based software XFOIL, which utilizes as boundary conditions the potential flow solutions (later revised through Bak’s model). This model is implemented through a MATLAB interface and is validated through QBlade and secondary literature. Finally, the tangential and normal force coefficients are calculated based on XFOIL’s outcomes and a critical discussion ensues, leading to the work’s conclusions and future research paths.

O objecto deste trabalho é o estudo da influência a montante da torre no escoamento através das pás de uma turbina eólica empregando métodos simplificados. O estado-da-arte de métodos preditivos de forças aerodinâmicas é apresentado e discutido enumerando as vantagens e desvantagens de cada um, com ênfase nos Métodos de Engenharia (ou Potencial), nos quais se baseia o trabalho aqui apresentado. A qualidade dos resultados obtidos pelos Métodos de Engenharia também é discutida. É incluido um curto capítulo sobre análise dimensional, uma vez que os parâmetros adimensionais são da maior importância neste contexto. A teoria do escoamento do potencial é apresentada, uma vez que as suas soluções são de extrema importância para a descrição do escoamento em torno da torre. Em seguida, os coeficientes de impulso e de arrasto são calculados usando o software baseado num método do painel, XFOIL, que utiliza como condições de fronteira as soluções do escoamento potencial (que são posteriormente readaptadas através do modelo de Bak). Este modelo é implementado através de uma interface com o programa MATLAB e validado com resultados provenientes da literatura e através do software QBlade. Finalmente, os coeficientes das forças tangencial e normal são calculados com base no resultados obtidos com o XFOIL, seguindo-se uma discussão crítica, conducente às conclusões e direcções de trabalhos futuros.