Validación del cálculo numérico CFD de una turbina eólica con ensayos experimentales

Abstract

Vivimos unos tiempos en los que el ser humano está trabajando codo a codo con programas computacionales que nos ayuden y nos faciliten el estudio de sucesos físicos que puedan ser aprovechados para nuestro bien. Uno de estos fenómenos físicos es la extraccio´n de la energía del viento. A medida que aumenta la demanda de la energía eólica, es lógico que la tecnología que se usa para investigar y desarrollarla evolucione a un mayor grado de sofisticación y precisión. Esta evolución se ve promovida también por el alto coste que tienen las instalaciones y los experimentos que se llevan ahí a cabo. Por eso, como alternativa a la experimentación, se han desarrollado modelos de turbinas eólicas de dinámica de fluidos computacional (CFD Computacional Fluids Dynamics). Nuestro proyecto se basa en el uso de uno de los programas que existen actualmente de CFD, Star CCM+, para hacer una validación numérica de un modelo físico de una turbina horizontal de baja potencia (Small Wind Turbine) que hemos desarrollado implantándola en el programa y comparando los resultados con unos ensayos experimentales. Esta validación gira en torno al desarrollo de la estela de la turbina y aun mas, en el rendimiento de la turbina, calculando el coeficiente de potencia Cp con distintas variantes físicas como pueden ser la velocidad del viento, la velocidad de rotación de la turbina etc. . . , representadas por el TSR (Tip Speed Ratio). Las curvas Cp-TSR que relacionan estos dos parámetros adimensionales son útiles para determinar el rendimiento del rotor para todas las velocidades de punta esperadas y serán los elementos base para nuestra validación. Para ello también, querremos comparar los resultados numéricos obtenidos entre modelos con distintos parámetros ligados al modelo computacional de elementos finitos del programa, como puede ser el tamaño de la malla, los modelos de turbulencia. . . Compararemos los resulta- dos de mallados más finos con otros más gruesos al igual que modelos distintos de turbulencia como k-epsilon y k-omega. Esto será útil para la validación y el análisis posterior que se realiza de los resultados. Este análisis lo haremos comparando gráficas elaboradas con los datos obtenidos y con imágenes extraídas del programa, entre ellas la de la estela tras la turbina. También, veremos interesante comparar escenas que corroboren la teoría para reforzar la fiabilidad de la herramienta como el campo de velocidades alrededor de la pala y Wall Y+ que representa la capa límite en el programa.