Revista Fuentes, el Reventón Energético

Vol. 23 Núm. 1 (2025): Revista fuentes
Artículos

Evaluación de la metodología de dinámica de fluidos computacional para investigar el fenómeno de desprendimiento de vórtices en turbinas eólicas e hidrocinéticas sin palas.

PDF (English)
  • Murilo S. Rodrigues,
  • Marcelo L. S. Silva,
  • Alexandre L. A. Mesquita
Murilo S. Rodrigues
Federal University of Pará, Faculty of Mechanical Engineering, Belém, Brazil
Marcelo L. S. Silva
Federal University of Pará, Faculty of Mechanical Engineering, Belém, Brazil
Alexandre L. A. Mesquita
Federal University of Pará, Faculty of Mechanical Engineering, Belém, Brazil
DOI: https://doi.org/10.18273/revfue.v23n1-2025006

Publicado 2025-06-30

Cómo citar

S. Rodrigues, M., S. Silva, M. L., & L. A. Mesquita, A. (2025). Evaluación de la metodología de dinámica de fluidos computacional para investigar el fenómeno de desprendimiento de vórtices en turbinas eólicas e hidrocinéticas sin palas. Revista Fuentes, El Reventón Energético, 23(1), 83–93. https://doi.org/10.18273/revfue.v23n1-2025006

Derechos de autor 2025 Revista Fuentes, el Reventón Energético

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.

Resumen

El escenario global actual indica la sustitución gradual de la generación de energía a partir de combustibles fósiles por fuentes renovables. Esta tendencia ha acelerado el desarrollo de nuevos sistemas de generación de energía limpia, como las turbinas cinéticas sin palas excitadas por el fenómeno de vibración inducida por vórtices. En el proyecto de estos innovadores dispositivos, es crucial disponer de una metodología de cálculo numérico para investigar los fenómenos aeroelásticos que excitan el sistema. Así, una vez validado el modelo numérico, se pueden evaluar diferentes configuraciones operativas del sistema. El presente estudio pretende analizar los diferentes pasos en el desarrollo de un modelo de dinámica de fluidos computacional que sea capaz de reproducir el desprendimiento de vórtices alrededor de la sección cilíndrica de una turbina sin palas para proporcionar los coeficientes de arrastre y sustentación necesarios para la determinación de la fuerza de excitación sobre el cilindro. Se analizan en detalle cuestiones como el refinamiento de la malla, los efectos del paso de tiempo y la selección del modelo de turbulencia. Los resultados obtenidos para los coeficientes de arrastre y sustentación, el número de Strouhal y el coeficiente de presión concuerdan con los resultados de la literatura. Los resultados indican que el modelo numérico desarrollado puede aplicarse eficazmente al estudio de turbinas cinéticas sin palas.

PDF (English)

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

  1. Al-Jamal, H., & Dalton, C. (2004). Vortex induced vibrations using large eddy simulation at a moderate Reynolds number. Journal of Fluids and Structures, 19, 73–92. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2003.10.005
  2. Barrero-Gil, A., Pindado, S., & Avila, S. (2012). Extracting energy from vortex-induced vibrations: A parametric study. Applied Mathematical Modelling, 36, 3153–3160. https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.09.085
  3. Bernitsas, M. M., Raghavan, K., Ben-Simon, Y., & Garcia, E. M. H. (2009). The VIVACE converter: Model tests at high damping and Reynolds number around 10⁵. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 131(1). https://doi.org/10.1115/1.2979796
  4. Blevins, R. D. (1977). Flow-induced vibration. Van Nostrand Reinhold Company.
  5. Custodio Filho, S. S., et al. (2020). Fatigue life estimation of hydrokinetic turbine blades. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 42, 1–14. https://doi.org/10.1007/s40430-019-2133-1
  6. Dong, S., Karniadakis, G., Ekmekci, A., & Rockwell, D. (2006). A combined direct numerical simulation–particle image velocimetry study of the turbulent near wake. Journal of Fluid Mechanics, 569, 185–207. https://doi.org/10.1017/S0022112006002606
  7. El-Shahat, A. et al. (2019). Bladeless wind turbine (case study). In 2019 SoutheastCon (pp. 1–5). https://doi.org/10.1109/SoutheastCon42311.2019.9020510
  8. Facchinetti, M. L., de Langre, E., & Biolley, F. (2004). Coupling of structure and wake oscillators in vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures, 19, 123–140. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2003.12.004
  9. Francis, S., Umesh, V., & Shivakumar, S. (2021). Design and analysis of vortex bladeless wind turbine. Materials Today: Proceedings, 47(16), 5584–5588. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.469
  10. Gabbai, R. D., & Benaroya, H. (2005). An overview of modeling and experiments of vortex-induced vibration of circular cylinders. Journal of Sound and Vibration, 282, 575–616. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2004.04.017
  11. Gargallo-Peiró, A., Avila, M., Owen, H., Prieto-Godino, L., & Folch, A. (2018). Mesh generation, sizing and convergence for onshore and offshore wind farm atmospheric boundary layer flow simulation with actuator discs. Journal of Computational Physics, 375, 209–227. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.08.031
  12. Girardi, V. (2012). Vortex-induced vibration simulation in a free oscillating cylinder. Technical Bulletin of Petrobras, 55.
  13. Kang, Z. et al. (2019). A numerical investigation of the effects of Reynolds number on vortex-induced vibration of the cylinders with different mass ratios and frequency ratios. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 11, 835–850. https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2019.02.012
  14. Khan, N. B. et al. (2016). Numerical study of flow around a smooth circular cylinder at Reynolds number = 3900 with large eddy simulation using CFD code. In Proceedings of the ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (Paper No: OMAE2016-55114, V002T08A016). https://doi.org/10.1115/OMAE2016-55114
  15. Kurushina, V. et al. (2022). Optimization of the wake oscillator for transversal VIV. Journal of Marine Science and Engineering, 10. https://doi.org/10.3390/jmse10020293
  16. Moreno-Pinilla, M., Rueda-Castiblanco, J. S., Milquez-Sanabria, H. A., & Arturo-Calvache, J. E. (2024). Determination of hydrodynamic and thermal profiles within a pyrolytic reactor loaded with palm shell using computational fluid dynamics. Fuentes, El Reventón Energético, 22(2), 19–34. https://doi.org/10.18273/revfue.v22n2-2024002
  17. Nguyen, L. (2015). Vortex- and wake-induced vibrations in an array of cylinders (Doctoral dissertation). University of Southampton, Faculty of Engineering and the Environment.
  18. Nguyen, L. T. T., & Temarel, P. (2014). Numerical simulation of an oscillating cylinder in cross-flow at a Reynolds number of 10,000: Forced and free oscillations. In ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (Paper No: OMAE2014-23394, V002T08A022). https://doi.org/10.1115/OMAE2014-23394
  19. Nguyen, V. T., & Nguyen, H. H. (2021). Numerical investigation of the vortex-induced vibration of an elastically mounted circular cylinder at high Reynolds number (Re = 10⁴) and low mass ratio using the RANS code. Journal of Fluids and Structures, 63, 103–119. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2016.02.004
  20. Norberg, C. (2003). Fluctuating lift on a circular cylinder: Review and new measurements. Journal of Fluids and Structures, 17, 57–96. https://doi.org/10.1016/S0889-9746(02)00099-3
  21. Pan, Z. Y., Cui, W. C., & Miao, Q. M. (2007). Numerical simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder at low mass-damping using RANS code. Journal of Fluids and Structures, 23, 23–37. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2006.07.007
  22. Pinheiro, K. A. et al. (2021). Effect of bearing dissipative torques on the dynamic behavior of H Darrieus wind turbines. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 43, Article 410. https://doi.org/10.1007/s40430-021-03122-1
  23. Rostami, A. B., & Akbari, M. A. (2017). Renewable energy harvesting by vortex-induced motions: Review and benchmarking of technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 193–214. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.202
  24. Shao, L., & Zhao, B. (2024). Troubleshooting of wind turbine gearboxes. Journal of Physics: Conference Series, 2918(1), 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2918/1/012016
  25. Stringer, R. M., Zang, J., & Hillis, A. J. (2014). Unsteady RANS computations of flow around a circular cylinder for a wide range of Reynolds numbers. Ocean Engineering, 87, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2014.04.017
  26. Sun, H., Kim, E. S., Nowakowski, G., Mauer, E., & Bernitsas, M. M. (2017). Effect of mass-ratio, damping, and stiffness on optimal hydrokinetic energy conversion of a single, rough cylinder in flow induced motions. Renewable Energy, 99, 936–959. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.07.024
  27. Tandel, R., Shah, S., & Tripathi, S. (2021). A state-of-art review on bladeless wind turbine. Journal of Physics: Conference Series, 1950(1), 012058. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1950/1/012058
  28. Wang, J., et al. (2020). The state-of-the-art review on energy harvesting from flow-induced vibrations. Applied Energy, 267, 114902. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114902
  29. Wornom, S., et al. (2011). Variational multiscale large-eddy simulations of the flow past a circular cylinder: Reynolds number effects. Computers & Fluids, 47, 44–50. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.02.011
  30. Wu, Y., et al. (2022). Modelling of flow-induced vibration of bluff bodies: A comprehensive survey and future prospects. Energies, 15, 8719. https://doi.org/10.3390/en15228719