SIMULACIÓN NUMÉRICA UTILIZANDO CFD DE LOS ENSAYOS EN TÚNEL DE VIENTO DE UNA PALA DE GENERADOR EÓLICO EN CONDICIÓN DE OPERACIÓN ROTOR ESTÁTICO

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1 SIMULACIÓN NUMÉRICA UTILIZANDO CFD DE LOS ENSAYOS EN TÚNEL DE VIENTO DE UNA PALA DE GENERADOR EÓLICO EN CONDICIÓN DE OPERACIÓN ROTOR ESTÁTICO Griselda Jeadrevi a, Carlos Sacco a, Carlos Paoletti b y Sergio Preidikma c,d a Departameto Mecáica Aeroáutica, Facultad de Igeiería, Istituto Uiversitario Aeroáutico, Av. Fuerza Aérea Km 6 1/2, X5010JMN Córdoba, Argetia, ttp://www.iua.edu.ar b Departameto Aerodiámica Experimetal y Aplicada, Cetro de Ivestigacioes Aplicadas, Istituto Uiversitario Aeroáutico, Av. Fuerza Aérea Km 5 1/2, X5010JMX Córdoba, Argetia, ttp://www.iua.edu.ar c Departameto de Estructuras, Facultad de C. E. F. y N., Uiversidad Nacioal de Córdoba, Casilla de Correo 916, 5000 Córdoba, Argetia, ttp://www.ef.ucor.edu d Departameto de Mecáica, Facultad de Igeiería, Uiversidad Nacioal de Río Cuarto, Ruta Nacioal 36 Km. 601, 5800 Río Cuarto, Argetia, ttp://www.ig.urc.edu.ar Palabras claves: Geerador Eólico, Rotor Estático, Stad Still Coditio, Parked Coditio, Esayos Túel de Vieto, Elemetos Fiitos, CFD, Métodos Numéricos Resume. E este trabajo se preseta las simulacioes uméricas y los esayos experimetales realizados sobre ua pala de u geerador eólico e codició de operació Rotor Estático. E ambos casos, se obtuviero las cargas, fuerzas y mometos a las cuales se ecuetra solicitada la toma de la pala. Las simulacioes uméricas se realizaro utilizado CFD. E la comparació de los resultados el código reproduce aceptablemete las medicioes experimetales. Se muestra visualizacioes de flujo co óleos durate los esayos e túel de vieto.

2 1 INTRODUCCIÓN Al mometo de diseñar u aerogeerador, uo de los más importates casos de carga a teer e cueta, es el caso de Rotor Estático (stad still o parked coditio, palas deteidas) e codicioes de alta velocidad de vieto. A pesar de ello, o se a trabajado demasiado e ivestigar la distribució real de la carga para este caso y existe muy pocas medicioes detalladas. La orma iteracioal IEC (1996) defie, e su ítem Casos de Carga, cuales so las situacioes de diseño a teer e cueta para el cálculo de cargas actuates usadas para determiar la itegridad estructural de la turbia. E esta parte, la orma ace referecia a los casos de diseño represetativos defiidos por modos de operació. Estos casos de carga se determia por la combiació de situacioes de diseño específicas y codicioes exteras que tega ua razoable probabilidad de ocurrecia. Para la codició de Rotor Estático se debe aalizar la exposició máxima para el área máxima expuesta y la exposició míima para posició ormal de parada. Ambos casos se utiliza e el aálisis de carga última. La ivestigació del estado de carga durate codicioes estáticas a sido llevada a cabo por otros autores. Dalberg et al. (1994) estudiaro las cargas estáticas de ua pala de aerogeerador de 2.4 m e el túel de vieto, y el experimeto a gra escala de la Natioal Reewable Eergy Laboratoty (NREL) tambié icluye este caso, ver Simms (1999). Paulse (1989) realizó la comparació etre resultados de túel de vieto y distitas aproximacioes teóricas obteiedo sigificativas desviacioes e los valores de resistecia y sustetació. Se esayó y modelizó ua pala de 6.4 m de evergadura co perfiles Naca 44XX e su seccioes. El autor utilizó para los modelos teóricos características aerodiámicas 2D de los perfiles. Además, se midiero mometos flectores e dos direccioes e cada ua de las medicioes. Adicioalmete, códigos de Navier-Stokes se a aplicados co éxito por Sørese et al. (2004) y Sørese (2002). Normalmete, cuado se trabaja co códigos típicos de diseño aeroelástico, los cálculos so realizados e base a la teoría de elemeto de pala o métodos de líea sustetadora. Ambos métodos utiliza las características aerodiámicas de perfiles extraídas de tablas y, al o teer estas tablas datos a grades águlos de ataque puede perderse de vista efectos 3D, siedo los resultados obteidos o del todo ciertos, Sørese et al. (2004). El presete trabajo aputa a mejorar el coocimieto de la codició Rotor Estático, aalizado el problema mediate el método de elemetos fiitos y realizado esayos experimetales sobre ua pala de geerador eólico. Los esayos de túel tiee como objetivo determiar características aerodiámicas y estructurales que ayudará e el diseño de futuras palas para geeradores eólicos pequeños y mediaos. La simulació de estos esayos mediate técicas de Computatio Fluid Dyamics (CFD) permite estimar las cargas aerodiámicas resultates actuates sobre la pala. 2 SIMULACIONES NUMÉRICAS: MODELO MATEMÁTICO Para realizar las simulacioes uméricas se a utilizado el código de CFD NS3DG (2007). El mismo está basado e el algoritmo de pasos fraccioados, el cual permite obteer u esquema semi-implícito para la resolució de las ecuacioes de Navier-Stokes e flujo icompresible. Los térmios de trasporte covectivo so estabilizados utilizado el método Ortogoal Subscale Stabilizatio (OSS), Bell et al. (1989) y Codia (2000). E todos los casos que se aaliza se utilizó el modelo de turbulecia algebraico de Smagorisky, Wilcox (2001).

3 2.1 Ecuacioes de Navier-Stokes Icompresibles La modelizació del medio cotiuo que se desea aalizar se realiza mediate la utilizació de las ecuacioes de Navier-Stokes, Sacco (2006), aplicadas para represetar el movimieto de u fluido icompresible y viscoso (desidad costate) e u domiio de aálisis cerrado Ω, co cotoros Γ formado por Γ u Γσ, y e el itervalo de tiempo compredido etre u tiempo iicial t 0 y u tiempo fial t f. Las ecuacioes de Navier- Stokes se compoe de las ecuacioes de cotiuidad y de catidad de movimieto, dode ( u, u u ) 1 2, 3 u = 0 e u u u τ + p = t ρ ρ Ω [, ] t (1) f 0 t f Ω [, ] e t (2) u = es el vector velocidad, p es la presió, τ es el tesor de tesioes viscosas, ρ es la desidad del fluido y f represeta las fuerzas volumétricas actuates sobre el fluido. Además, se debe defiir las codicioes de cotoro, 0 t f _ u = u e Γ u, _ σ = t e Γ σ (3) dode σ es el tesor de tesioes y el vector ormal al cotoro, las variables co barra sigifica que está especificadas. Las codicioes de cotoro se debe satisfacer para todo t que perteece a [ t, t 0 f ]. Las ecuacioes resultates se completa co las correspodietes codicioes iiciales sobre la velocidad y la presió, u = u 0 e t 0 para todo Ω, p = p 0 e t 0 para todo Ω. 2.2 Resolució Numérica: Método de Pasos Fraccioados Las ecuacioes que se platearo previamete o puede ser resueltas uméricamete e forma estádar debido a que la ecuació de icompresibilidad se trasforma e ua restricció del campo de movimieto. Existe diversos algoritmos que permite subsaar la dificultad mecioada, etre ellos el algoritmo de pasos fraccioados, Codia (2001), Cori (1969), Oñate et al. (2000). Este método permite obteer u esquema semi-implícito de bajo costo computacioal y que satisface la codició LBB (Codició de Babuska-Brezzi) utilizado el mismo orde de aproximació para las velocidades y para la presió (utilizado las mismas fucioes de iterpolació para el campo de velocidades y de presió). La ecuació de catidad de movimieto se divide e dos partes, (4) _ + 1 u = u + δ t u + θ u + θ 1 + γ p ρ νδu + θ + f + θ. (5)

4 u + 1 = u _ + 1 t ρ + ( p γ p ) δ 1. (6) E estas ecuacioes aparece ua ueva variable que se cooce como mometo fraccioario, esta variable tiee características de velocidad llamada tambié velocidad itermedia u _. +1 Tomado divergecia a la ecuació de u y aplicado la ecuació de cotiuidad se obtiee la siguiete expresió, co la cual puede calcularse la presió, ( p p ) _ + 1 δ t γ = u. (7) ρ Es decir, la aplicació del método de pasos fraccioados al problema discreto comieza cosiderado el mometo fraccioario, co el cual se particioa la ecuació de catidad de movimieto, y se reemplaza la ecuació de cotiuidad por ua ecuació de Poisso para la presió, esta presió calculada garatiza que se satisfaga la codició de icompresibilidad. E las ecuacioes, el parámetro γ es u parámetro para mejorar la precisió espacial y temporal del esquema, el mismo puede tomar valores 1 ó 0. El parámetro θ es el parámetro que determia el tipo de esquema utilizado e la aproximació, puede tomar valores etre 0 y 1 depediedo si el cálculo se va a realizar e forma explícita, implícita o semi-implícita. La elecció del parámetro θ depede del tipo de problema y de la solució buscada. 2.3 Forma Discreta de las Ecuacioes de Navier-Stokes - Estabilizació El método utilizado para discretizar las ecuacioes es el método de los elemetos fiitos Loer (2001). El esquema resultate es de primer orde ( γ = 0 ) y la discretizació temporal se realiza co u Euler acia atrás ( θ = 0 ). Tomado como fucioes test ( v, q ) V Q, se obtiee, + 1 ( u, v ) = ( u, v ) ( u u, v ) ν ( u, v ) ( f, v ) 1 1 δ t δ t + 1 ρ + 1 ( p, q ) = [( u u, q ) ( u, q )] δ t 1 ( u +1, v ) = ( u, v ) ( p +1, q ) δ t. (8). (9). (10) El ídice idica el paso de tiempo y el subídice represeta el problema discreto. E las ecuacioes se utiliza la otació ( a, b) = Ω ( a b) dω. Como se puede observar el esquema resultate es semi-implícito, siedo las ecuacioes (8) y (10) explícitas (se codesa las matrices de masa) y la ecuació (9), para el cálculo de la presió, resulta implícita (se resuelve mediate gradietes cojugados co precodicioado diagoal). El procedimieto completo para el cálculo de u paso de tiempo se realiza calculado e +1 primer lugar la velocidad fraccioaria u utilizado la ecuació (8). E segudo lugar, +1 calculado la presió p utilizado la ecuació (9). Luego se obtiee la velocidad corregida

5 +1 u utilizado la ecuació (10) y por último se debe aplicar las codicioes de cotoro. La utilizació del método clásico de Galerki e la discretizació de las ecuacioes geera iestabilidades uméricas. El método utilizado para solucioar el problema e el código es el deomiado OSS. Básicamete la metodología se basa e añadir difusió umérica al flujo. 2.4 Modelo de Turbulecia Las simulacioes uméricas directas (DNS Direct Numerical Simulatio) de flujos turbuletos e todas las escalas presetes e el flujo tiee costos proibitivos (limitacioes de ardware), esto motiva el desarrollo y uso de modelos simplificados que requiere meos capacidad computacioal pero que sea útiles para reproducir distitos casos e problemas de igeiería Léveque et al. (2007). E todos los casos que se aaliza e este trabajo se utilizó el modelo de turbulecia algebraico de Smagorisky (1963), este es el modelo más simple. Los méritos del modelo so su maleabilidad, su estabilidad computacioal y la simplicidad de su formulació (dado que se ivolucra u solo parámetro a ajustar), Baldwi et al. (1978), Camelli et al., (2002) Wilcox (2001). Siedo su expresió, 2 ( ) ε ε dode C s es la costate de Smagorisky, ( C = 0.16) elemeto y ε es el tesor velocidad de deformació. 2.5 Codicioes de Cotoro ν T = C s : (11) s, es u tamaño característico del Las codicioes de cotoro que se aplica puede ser e velocidad, e tesió o e presió. Para el primer caso se impoe e el paso fial y estas puede ser de tres tipos diferetes. Deslizamieto libre y simetría ( u = 0 y τ = 0 ), velocidad impuesta ( u = ) y ley de pared ( u = 0 y τ = τ w ). Cuado se resuelve la presió las codicioes se impoe e la ecuació (9) y puede ser presió impuesta ( _ p p = ) y tracció ula ( = 0) σ. 3 SIMULACIONES NUMÉRICAS REALIZADAS E el desarrollo del trabajo se aalizaro dos casos, la pala e flujo libre (Simulació I) y la pala detro del túel (Simulacioes II y III). Como iterfase del código de cálculo para realizar el pre y pos procesamieto de los datos se utilizó el programa GID del CIMNE (Cetro Iteracioal de Métodos Numéricos e Igeiería). E todos los casos, la superficie de la pala fue mallada co elemetos triagulares realizado ua mayor desificació de la superficie e el borde de fuga, el borde de ataque, la putera y e la zoa de trasició a la toma. No se realizó ua malla especial para capturar la capa límite. El mismo tipo de elemeto se utilizó e las superficies que costituye las paredes del túel de vieto. El volume fue realizado co elemetos tetraedros de 4 odos. E las simulacioes se utilizó como sistema de referecia, el sistema de referecia fijo al túel co orige e la toma de la pala. Los ejes X T, Y T y Z T forma u cojuto dextrógiro de _ u

6 vectores uitarios (ver Figura 1). Z T X T Y T Vieto Figura 1 Esquema Túel de Vieto utilizado e las simulacioes. 3.1 Simulació I: Pala e Flujo Libre E esta simulació se cosideró como volume de cotrol u paralepípedo de 2 x 3 x 3 m. El volume geerado tiee elemetos y odos promedio para todas las mallas. Se modelizó la geometría para distitos águlos de icidecia α (distitos águlos de pitc), águlos compredidos etre 0 y 90. Se realizaro las corridas cosiderado como codicioes de cotoro e la etrada del domiio Velocidad de Etrada impuesta de 10, 20 y 30 m/s (velocidad igual a la velocidad de corriete libre) y e la salida se fijó la tracció, Tracció de Salida ula, que se tomó como presió de referecia. Sobre el cuerpo de la pala y e las paredes del paralepípedo se impuso ley de pared (velocidad ormal ula). Los resultados de esta simulació fuero utilizados como estimació de las cargas que se producirá e la pala durate los esayos e túel de vieto, ates de realizarlos, y sirve para delimitar las presioes diámicas de esayo e el túel, a fi de o exceder las cargas máximas admisibles de la balaza. 3.2 Simulació II: Pala e Túel Discretizació Gruesa E esta simulació se cosideró como volume de cotrol el volume limitado por las paredes del túel. El volume compredido etre la pala y las paredes del túel tiee elemetos y odos promedio para todas las mallas. Se modelizó la geometría para distitos águlos de icidecia α (distitos águlos de pitc), águlos compredidos etre 0 y 90. Se realizaro las corridas cosiderado la Velocidad de Etrada impuesta de 10, 20 y 30 m/s, Tracció de Salida ula y sobre el cuerpo de la pala y paredes del túel velocidad ormal ula. Los resultados de estas simulacioes fuero utilizados para realizar la comparació co los resultados obteidos de los esayos e túel de vieto. Esto os dará la cofirmació de que el método umérico seleccioado es aplicable para el caso.

7 3.3 Simulació III: Pala e Túel Discretizació Fia (Trabajo e Curso) E esta simulació se utilizó la misma geometría que e la Simulació II pero refiado la malla. El volume compredido etre la pala y las paredes del túel tiee elemetos y odos promedio para toda las mallas. El objetivo de esta simulació es tratar de capturar detalles ecotrados e los resultados de los esayos experimetales. Por lo cual se cosiderara las velocidades del vieto icidete presetadas e los esayos de túel y se aumetara la catidad de águlos de icidecia a aalizar. 4 ENSAYOS AERODINAMICOS EN TUNEL DE VIENTO DE BAJA VELOCIDAD El objetivo pricipal de los esayos es obteer los esfuerzos a los que se ecuetra solicitada ua pala e la codició Rotor Estático, para grades velocidades de vieto. 4.1 Descripció del Esayo Características del Túel de Vieto Los esayos fuero realizados e el Túel de Vieto Mayor del Cetro de Ivestigacioes Aplicadas perteeciete al Istituto Uiversitario Aeroáutico (IUA), Fuerza Aérea Argetia. Los Esayos fuero llevados a cabo por persoal de Lockeed Marti Aircraft Argetia S.A. Ibarrola et al. (2005) y del Departameto Aerodiámica Experimetal y Aplicada del Cetro de Ivestigacioes Aplicadas (CIA). E la tabla adjuta se preseta las características del túel usado. Tipo Túel Circuito cerrado (Diseñado para aplicacioes Aeroáuticas) Secció Cámara de esayos Rectagular co caflaes e sus extremos de distita dimesió (Ver plao e Aexo I) Altura Secció Cámara de esayos 2.4 m Aco Secció Cámara de esayos 3.2 m Largo Cámara de Esayos 5 m Velocidad Máxima de Diseño 100 m/s Presió de Estacamieto Presió Atmosférica Potecia Máxima de Diseño 1000 HP a 540 rpm Factor de Turbulecia 1.19 (medido co técica de la esfera de turbulecia) Turbulecia Axial Absoluta Iferior al 0.2 % Tabla 1 Características Túel Mayor del CIA (IUA) Características del Modelo Pala La pala fue diseñada co u solo perfil aerodiámico asta la zoa de trasició. El perfil utilizado es el covecioal Clark Y usado e élices de elicópteros y de alguos molios. La cuerda o se matiee costate a lo largo de la pala y está alabeada segú la ley mostrada e la Figura 3. El eje de alabeo se ecuetra al 25% de la cuerda. El modelo fue costruido de material compuesto, fibra de vidrio y resia poliéster, co u alma de madera.

8 Figura 2 Vista e Plata de la Pala Perfil Clark Y Espesor Relativo Perfil (t/c) Águlo Sustetació Nula Perfil (α o ) -46 t/c (5.38) Pediete de Sustetació (Clα) 0.1 (1+t/c) Coeficiete de Resistecia (Cd) t/c+0.01(Cl-0.15) 2 Coeficiete de Sustetació Máximo (Cl max ) 1.6 Largo Pala (b) 2.05 m Diámetro (D) 5 m Cuerda Media Aerodiámica (cam) 18.8 cm Tabla 2 Características Geerales de la Pala Alabeo Pala (º) r/r Figura 3 Distribució de Alabeo e la Pala Descripció del Motaje La pala fue motada verticalmete sobre la balaza aerodiámica. La balaza fue istalada por arriba del piso del túel sobre u soporte vertical fijo a la plataforma orizotal del Soporte de Modelos. Se adicioó ua placa metálica etre el alma de madera de la pala y el soporte vertical para asegurar ua fijació suficietemete rígida. Esta solució para el motaje permite realizar rotacioes del cojuto balaza-modelo alrededor de u eje vertical, lo que e virtud de la istalació e u plao vertical del modelo se traduce e barridos co águlos de icidecia (Modo Beta Deslizamieto).

9 Pala Balaza Soporte Vertical Figura 4 Motaje de Balaza Aerodiámica y Modelo Placa Separadora de Capa Límite Placa Metálica Figura 5 Balaza Aerodiámica, Modelo y Placa Separadora de Capa Límite La balaza se motó girada 90 e setido orario tomado como referecia a la posició e que se ecuetra e los esayos aeroáuticos covecioales. Para realizar medicioes de las fuerzas etas actuates o se debe expoer a la corriete de vieto la parte del motaje correspodiete a la fijació del modelo-balaza. Para ello se colocó u careado fijo al piso del túel y ua placa circular a la altura del iicio de la toma de la pala (secció de referecia) para que actuara como separadora de capa límite, y así lograr u flujo icidete uiforme e la parte próxima a la raíz de la pala. La posició cero para el águlo de icidecia se cosideró cuado el plao del alma de la pala coicide co el plao vertical de simetría de la cámara de esayos. Los águlos de icidecia egativos correspode a ua direcció del vieto icidete desde la dereca, y los

10 positivos a vieto icidete desde la izquierda respecto del alma de la pala respectivamete y rotació e setido orario del Soporte del Modelo (ver Figura 8). Figura 6 Motaje Completo (Modelo istalado, placa separadora y careado balaza) E los esayos se trabajaro co dos sistemas de referecia. El sistema de referecia asociado a la balaza co el orige (Cetro de Reducció Balaza) e el cetro geométrico de la misma y ejes Xb, Yb y Zb. Y el sistema de referecia asociado a la pala co el orige (Cetro de Reducció Pala) situado e la toma y ejes Xp, Yp y Zp. Ambos sistemas forma u cojuto dextrógiro de vectores uitarios, acompaña a la balaza y al modelo y rota co u águlo igual al águlo de icidecia. E la Figura 7 se muestra los esquemas de motaje de la balaza y modelo, la posició de los cetros de reducció y los sistemas de referecia asociados a la balaza y al modelo Calibració A efectos de miimizar las icertidumbres de medició, se realizó la calibració de la balaza para verificar su comportamieto y ajustar el vector de tesioes de alimetació para el rago de cargas estimadas para el esayo. Los strai gage de la balaza fuero calibrados co la balaza motada e el soporte de calibració para diferetes estados de carga represetativos de los que soportará la pala e operació. Luego se llevó a cabo ua verificació de la cadea de medició aplicado ua

11 carga coocida e la direcció x a ua distacia coocida del cetro de la balaza. Se utilizó para alimetar la balaza 2.5 voltios y el vector de tesió de alimetació se obtuvo a partir de la calibració mecioada e primer térmio. El trasductor utilizado para medir la presió diámica fue cotrolado y calibrado cotrastádoselo co u Micromaómetro tipo Betz a columa de agua de alta precisió. Para más detalles de estos procedimietos ver Ibarrola et al. (2005). Figura 7 Sistema de Referecia Balaza y Sistema Referecia Pala. Covecioes de Sigos Istrumetació La medició de las cargas aerodiámicas actuates sobre el modelo se realizaro co ua balaza de strai gage de 6 compoetes ubicada, como se dijo, etre el soporte vertical y el alma de la pala. La presió diámica de la corriete libre e el túel se midió e las tomas estáticas ubicadas e las paredes al iicio de la cámara de esayos.

12 Istrumetal Tipo Marca Rago Trasductores Acodicioamieto y Amplificació de Señales Adquisició Datos Programa de Procesamieto de Datos Presió Diferecial Druck DPI a 100 HPa Balaza a Strai Gage (6 compoetes) EMMEN 192-6G System 620 NEFF Placa de Adquisició Nacioal Istrumet Etrada 0.5 a 10 V Módulo Gaacia: 10 Slot#1 Plaqueta Caal#2: Presió Diámica Filtro: 10 Hz Commo Mode Amplifier / Filter Caal#3: Icliómetro Slot#2 Plaqueta Low Level Diferecial Simple ad Hold Amplifier / Filter Slot#3 Plaqueta Low Level Diferecial Simple ad Hold Amplifier / Filter Caal#4 al 10: Señales de Balaza EMMEN (3 compoetes de Fuerza y 3 de Mometo) Software LabView 5.1 Tabla 3 Istrumetal utilizado e las medicioes Módulo Gaacia: 1 Filtro: 10 Hz Módulo Gaacia: Correccioes Aerodiámicas y Procesamieto de Resultados No se aplicaro correccioes aerodiámicas por iterferecia de las paredes del túel, debido a las pequeñas dimesioes del modelo (superficie modelo, Sm) e relació a la secció trasversal de la cámara de esayo (S) (relació de bloqueo, Sm/S 0.05). El programa de procesamieto de las medicioes realizadas e la campaña de esayo geera los resultados e forma de coeficietes de fuerzas y mometos e Ejes Cuerpo del sistema de referecia asociado a la balaza. Estos datos obteidos del Programa de Procesamieto se modifica de tal maera que lo resultados se preseta referidos al sistema de referecia asociado a la Pala (Xp, Yp y Zp). 5 RESULTADOS Las medicioes de las cargas so cada vez más importates para los esayos e campo y los procesos de certificació de prototipos. Se ecesita comprobar los códigos utilizados y verificar las ipótesis ecas para las cargas e el diseño. El caso aalizado es uo de los más importates, por ser uo de los casos mas críticos y por cosiderase a la raíz de la pala como compoete pricipal. Durate esta codició las palas se ecuetra solicitadas a velocidades de vietos diferetes, a las distitas alturas del rotor, causado esfuerzos que puede comprometer ciertos compoetes pricipales (palas, eje pricipal, rodamietos, esamblajes de la torre, otros). Para poder realizar la comparació de los resultados experimetales co los obteidos e las simulacioes uméricas, todos los datos se preseta e u sistema de referecia comú. El sistema de referecia elegido es el sistema de ejes fijo al túel co orige e la toma de la pala (e u geerador eólico es el sistema de referecia asociado al rodamieto de la raíz de la pala sobre el cubo o uió toma-plato para paso fijo), como se muestra e la Figura 1. Las compoetes que se aaliza so:

13 - Fuerza F X (e direcció del vieto icidete, coicidete co X T ). - Fuerza F Y (e direcció perpedicular al vieto icidete, coicidete co Y T ). - Mometo Flap-wise M Flap (rotació alrededor de X T, movimieto e plao yz. Se correspode co el Mx T de las simulacioes). - Mometo Edge-wise M Edge (rotació alrededor de Y T, movimieto e plao xz. Se correspode co el My T de las simulacioes). - Mometo Pitc-wise M Pitc (rotació alrededor de Z T, movimieto e plao xy. Se correspode co el Mz T de las simulacioes). La compoete de fuerza F Z o se tuvo e cueta e el aálisis i se preseta resultados debido a que la misma o es de orige aerodiámico. Figura 8 Sistemas de Referecia utilizados. Compoetes de Fuerzas y Mometos. Coveció de Sigos. 5.1 Resultados Obteidos de Simulació Numérica (Simulació II) Al realizarse el aálisis de los resultados, puede observarse, que para la simulació II, los valores máximos de fuerza e direcció x se da para 60 y e direcció y para 15, Figura 9 y Figura 10. Los valores máximos de mometos se da para 15 e x (Mometo Flap-wise), para 70 e y (Mometo Edge-wise) y para 90 e z (Mometo Pitc-wise), Figura 11, Figura 12 y Figura Resultados Obteidos de Esayos Experimetales Se realizaro 5 corridas durate la campaña de esayos barriedo los águlos de -5 a 75 co u icremeto de 0.33 aproximadamete, efectuádose las medicioes e corridas cotiuas para las velocidades, presioes diámicas y úmeros de Reyolds presetados e la Tabla 4. La corrida 5, comparable a la corrida 4, se realizó co el fi de observar la repetibilidad de las medicioes, mateiedo la presió diámica lo más ivariate posible.

14 Corridas Velocidad de Vieto Número Reyolds Presió Diámica Promedio [Pa] Promedio [m/s] Efectivo Tabla 4 Parámetros de Esayos E resultados de las medicioes se observa que aproximadamete para 18 de águlo de icidecia la pala sufre cambios e las 2 compoetes de fuerzas y e las 3 de mometos, comportamieto asociado a la pérdida de sustetació, ver las figuras presetadas a cotiuació. Los resultados fuero presetados referidos a Sistema de Referecia asociado a la Pala (Ejes Cuerpo Pala Xp, Yp, Zp, ver Figura 7). 5.3 Comparació de Resultados Esayos Simulacioes (Simulació II) Para la fuerza e la direcció x, F X fuerza equivalete a la resistecia (direcció del vieto icidete), e y, F Y fuerza equivalete a la sustetació (fuerza perpedicular al vieto icidete), puede observarse que las simulacioes uméricas se correspode aceptablemete co los resultados experimetales expuestos, Figura 9 y Figura 10. La tedecia de las curvas se correlacioa. Se observa que para 20 m/s de velocidad de vieto icidete las simulacioes subestima las cargas experimetales pero a medida que la velocidad aumeta esto se revierte equiparádose. Por falta de putos e el aálisis para los águlos de icidecia etre 10 y 25 es que o puede realizarse igua observació de la caída e los valores de fuerza F Y. Igualmete o puede cocluirse que los valores de F X para águlos mayores a 75 o tiee igua correlació ya que o se cueta co los datos de los esayos. Se observa e los valores de esayos cierta tedecia a caer pero o puede asegurarse ada al respecto. Para los mometos e la direcció x, M Flap (mometo Flap-Wise) y e la direcció y, M Edge (mometo Edge-Wise) puede observarse que las simulacioes uméricas reproduce la tedecia, repitiédose lo observado para las compoetes de fuerzas, esto es que para 20 m/s de velocidad de vieto icidete las simulacioes subestima las cargas experimetales pero a medida que la velocidad aumeta esto se revierte equiparádose, Figura 11 y Figura 12. Se estima que la diferecia umérica para águlos mayores a 55, dada para el caso de la Fuerza F X y el mometo M Edge podría deberse a las vibracioes del modelo producto de su flexibilidad. Para el mometo e la direcció z, M Pitc (mometo Pitc-Wise) puede observarse que existe poca correlació de los valores obteidos de las simulacioes uméricas y los resultados de los esayos experimetales, Figura 13. No ecotramos igua explicació a esta diferecia. Se evalúa la posibilidad de problemas e la balaza de medició o e el vector de tesioes de alimetació utilizado para el rago de esta carga. Se prevé repetir la campaña de esayos para ivestigar e profudidad estas diferecias.

15 FUERZAS FX (SRFT) Vpromedio=20.83 m/s Vpromedio=24.86 m/s Vpromedio=27.17 m/s Vpromedio=32.61 m/s Vpromedio=32.45 m/s Vcfd=30m/s Vcfd=20m/s Vcfd=10m/s 180 Fx [N] AlFa Figura 9 Comparació de compoete de fuerza F X e fució del águlo de icidecia α de Esayos Experimetales y Simulacioes Numéricas 275 FUERZAS FY (SRFT) Vpromedio=20.83 m/s Vpromedio=24.86 m/s Vpromedio=27.17 m/s Vpromedio=32.61 m/s Vpromedio=32.45 m/s Vcfd=30m/s Vcfd=20m/s Vcfd=10m/s 175 Fy [N] AlFa Figura 10 Comparació de compoete de fuerza F Y e fució del águlo de icidecia α de Esayos Experimetales y Simulacioes Numéricas

16 MOMENTO MX Flap-Wise (SRFT) M [Nm] Vpromedio=20.83 m/s Vpromedio=24.86 m/s Vpromedio=27.17 m/s Vpromedio=32.61 m/s Vpromedio=32.45 m/s Vcfd=30m/s Vcfd=20m/s Vcfd=10m/s -275 AlFa Figura 11 Comparació de compoete de mometo Mx e fució del águlo de icidecia α de Esayos Experimetales y Simulacioes Numéricas MOMENTO MY Edge-Wise (SRFT) Vpromedio=20.83 m/s Vpromedio=24.86 m/s Vpromedio=27.17 m/s Vpromedio=32.61 m/s Vpromedio=32.45 m/s Vcfd=30m/s Vcfd=20m/s Vcfd=10m/s 160 M [Nm] AlFa Figura 12 Comparació de compoete de mometo My e fució del águlo de icidecia α de Esayos Experimetales y Simulacioes Numéricas

17 2 MOMENTO MZ Pitc-Wise (SRFT) M [Nm] Vpromedio=20.83 m/s Vpromedio=24.86 m/s Vpromedio=27.17 m/s Vpromedio=32.61 m/s Vpromedio=32.45 m/s Vcfd=30m/s Vcfd=20m/s Vcfd=10m/s -12 AlFa Figura 13 Comparació de compoete de mometo Mz e fució del águlo de icidecia α de Esayos Experimetales y Simulacioes Numéricas 5.4 Visualizacioes de Flujo e Esayos Aerodiámicos e Túel de Vieto de Baja Velocidad A fi de iterpretar las medicioes realizadas experimetalmete e el túel de vieto se realizaro visualizacioes co película de aceite (óleos) y laas aderidas (tufts attaced) para diferetes águlos de icidecia a 30 m/s promedio de velocidad de vieto. Puede observarse e las visualizacioes, Figura 14, que a 0 el flujo e el extremo exterior se ecuetra aderido asta el 60% de la cuerda aproximadamete, co ua separació lamiar que llega asta el borde de fuga. Este comportamieto se repite e la zoa cetral pero la separació es del tipo burbuja larga, presetado ua posterior readerecia y ua ueva separació co burbuja corta sobre el borde de fuga. El flujo e la zoa próxima al empotramieto preseta separació de flujo iiciada e el borde de ataque extedida e toda la logitud de la cuerda. Para 8 la zoa exterior de la pala tiee ua burbuja de separació larga del orde de u 30% de la cuerda ubicada e el cetro de la misma, y ua burbuja corta próxima al borde de fuga co readerecia ates del mimo. E la parte iferior próxima al empotramieto el flujo se ecuetra separado completamete a partir del borde de ataque. Para 18 la parte exterior de la pala muestra separació lamiar co burbuja corta imediatamete después del borde de ataque, la burbuja larga persiste co icremeto e su extesió y la separació e el borde de ataque avaza progresivamete acia la putera de la pala.

18 Figura 14 Fuerzas FX - FY y visualizació co óleos. Para 22 el flujo e el extradós se ecuetra totalmete separado desde el borde de ataque e toda la extesió de la pala, y este patró de flujo se repite asta los 75, para todos los águlos de icidecia aalizados. La pérdida es u feómeo goberado por la viscosidad e el que juega u papel domiate el úmero de Reyolds y la geometría del perfil. La importacia del Reyolds es

19 que su valor determia que la capa límite sea lamiar o turbuleta, y el carácter del flujo e la capa límite ifluye otablemete e el feómeo de despredimieto. E perfiles delgados (meos de 12% de espesor) ua característica importate del flujo es la ocurrecia de la separació de la capa límite lamiar cerca del borde de ataque e cuato existe u gradiete de presioes adverso míimo. Para icidecias moderadas, el flujo se readiere corriete abajo como ua capa límite turbuleta formádose ua burbuja Twaites (1987), ESDU (1966). Este tipo de flujos caracterizado por separacioes locales y posteriores readerecias es típico de flujos a bajos úmeros de Reyolds, y se ve agravado, e este caso, por la presecia de oscilacioes elásticas de la pala. 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Los resultados presetados e este trabajo muestra que existe ua aceptable cocordacia etre los valores obteidos de las medicioes experimetales y las simulacioes uméricas. Los resultados coseguidos de los esayos puede ser utilizados para verificar uevamete el código de CFD. Co aterioridad el código se a validado co esayos experimetales de modelos más simples como el cuerpo de Amed, Sacco (2005). Debido a la forma geométrica complicada del modelo la comparació realizada e el presete trabajo cofirma la efectividad del programa computacioal. Se estima que las vibracioes del modelo utilizado e el túel, producto de su flexibilidad (debida a su esbeltez y a los materiales utilizados e su costrucció), se ve reflejadas a través de las diferecias observadas etre las cargas aerodiámicas medidas y aquellas predicas por el modelo umérico de la pala estructuralmete rígida. Se prevé repetir la campaña de esayos para ivestigar e profudidad la diferecia ecotrada para la compoete de mometo de pitc, ya que se piesa e la posibilidad de problemas e la balaza de medició o e el vector de tesioes de alimetació utilizado para el rago de esta carga. Por otro lado, al ser estudiado u solo tamaño de malla para la geometría (malla utilizada e la Simulació II), esto o permite sacar ua coclusió defiitiva ya que es ecesario u aálisis de sesibilidad que muestre la ifluecia de la malla e los resultados. Completar la Simulació III ayudará a poder corroborar si las simulacioes uméricas so capaces de captar ciertos feómeos observados, como el visto para águlos de icidecia del vieto de aproximadamete 18. Por teer la pala u alabeo ta complicado se puede cosiderar al modelo como u modelo complejo, es optimista del puto de vista del modelo umérico por los resultados mostrados. Pero ace que o pueda explicarse e profudidad las separacioes de flujo vistas, alguas separacioes locales puede deberse a la costrucció y otras ser ieretes al flujo mismo. Por lo cual se ve la ecesidad de realizar e u futuro, estudios detallados para compreder mejor los feómeos de la separació. 7 REFERENCIAS Sørese N.N., Joase J., ad Coway S., CFD Computatios of Wid Turbie Blade Loads Durig Satd still Operatio. Risø-R-1465-(EN), Risø Natioal Laboratory, Roskilde, Demark, Sørese N.N., 3D Backgroud Aerodyamics usig CFD. Risø-R-1376-(EN), Risø Natioal Laboratory, Roskilde, Demark, Simms D., Had M.M., Figers L.J., ad Jager D.W., Usteady Aerodyamics Experimet Pases II-IV: Test Cofiguratios ad Available Data Campaigs. NREL/TP ,

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