12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 ANÁLISIS COMPUTACIONAL DE LA INFLUENCIA DE LA SUCCIÓN DE CAPA LÍMITE SOBRE EL COMPORTAMIENTO AERODINÁMICO DE GENERADORES DE VÓRTICE FIJOS EN PERFIL NREL-S809. Salas López Cindy Natalia 1, Gómez Rivera William 2, Cerón Muñoz Hernán Dario 3 1 UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA. Carrera 11 # , Bogotá D.C. Colombia, cinatali@hotmail.com. 2 UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA. Carrera 11 # , Bogotá D.C. Colombia, william.gomezr@unimilitar.edu.co. 3 ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS USP. Avenida Trabalhador são-carlense, 400, Pq Arnold Schimidt. CEP São Carlos - SP. Brasil, hernan@sc.usp.br RESUMEN La crisis energética y ambiental mundial ha causado un mayor desarrollo en el campo de la energía eólica. Ello viene presentando aumento en el tamaño de las turbinas, generando un incremento en los costos debido a la inversión en nuevos materiales y tecnologías de manufactura. En este trabajo se analiza computacionalmente el efecto de la succión de capa límite sobre el uso de generadores de vórtices, como alternativas de control de la separación de la capa limite sobre la superficie de un perfil NREL- S809, con el objetivo de mejorar la eficiencia aerodinámica y optimizar los desarrollos actuales. Fueron realizados análisis numéricos en tres diferentes regiones de succión ubicadas desde el borde de ataque hasta el 80% de la cuerda, en combinación con tres tipos de generadores de vórtices (veleta, cuña y semiesférico) ubicados al 10% de la cuerda. Fueron calculados los coeficientes de sustentación, arrastre y presión. Los resultados fueron comparados con el perfil base, encontrándose que la mayor eficiencia aerodinámica se presenta con succión en 0.5<x/c<0.65 en combinación con generadores de vórtices tipo veleta (C L/C D α=12 = 13.14) en tanto que la eficiencia más baja se presentó con generadores de vórtice tipo semiesférico (C L/C Dα=12=8.33) comparado con el perfil base (C L/C Dα=12=9.65). Los generadores de vórtice tipo semiesférico mostraron un efecto contrario al buscado, reduciendo la sustentación en algunos de los casos analizados en relación al perfil base. PALABRAS CLAVE: Succión, Generadores de Vórtice, Capa Límite, Energía Eólica.

2 INTRODUCCIÓN En la búsqueda de aumentar la eficiencia de las turbinas eólicas y minimizar costos, se han estudiado variados métodos y técnicas. La optimización de perfiles modificando su geometría ha sido ampliamente estudiada y analizada tanto teórica como experimentalmente, contando hoy en día con una gran base de datos de perfiles y sus respectivas graficas de comportamiento aerodinámico. Pese a esta gran disponibilidad de diseños e información, el tamaño de las turbinas eólicas sigue en aumento, incrementando los costos de fabricación y limitando los lugares en donde pueden trabajar eficientemente. Una forma de mejorar el comportamiento aerodinámico de los perfiles sin necesidad de aumentar su tamaño o cambiar su forma es retrasar el desprendimiento de la capa límite. Para ello principalmente existen dos métodos de control: métodos activos, en donde se utilizan dispositivos que adicionan energía al fluido desde una fuente externa o métodos pasivos en los cuales no es necesario dicha adición de energía externa, sino que se hace uso de dispositivos como generadores de vórtices (GV) para generar mayor turbulencia, aprovechando el hecho que una capa limite turbulenta presenta mayor resistencia a desprenderse de la superficie, evitando la entrada en perdida a mayores ángulos de ataque [1]. La succión como método de control ha sido utilizada en perfiles comúnmente usados en aviación [2-4], dichos estudios mostraron que la succión logra disminuir el arrastre e incrementar la sustentación al generar una zona más larga y de baja presión en el extradós y retrasar el desprendimiento de la capa limite. Piperas [5] simula el flujo alrededor de un perfil Naca 4415 con una ranura de 0.007m ubicada en el punto mínimo de presión del extradós y aplicando una succión Cq=0.03 demostrando que la transición es retrasada, también se compara la succión discreta versus la succión distribuida tanto en el borde de ataque como en el borde de fuga, obteniendo valores mayores de sustentación cuando la succión es distribuida y utilizando el mismo coeficiente Cq. La implementación de este método sobre aspas de turbinas eólicas aún se encuentra en desarrollo y requiere de una mayor investigación. Aun así los resultados obtenidos son prometedores Por otro lado, el uso de generadores de vórtices ha demostrado ser uno de los métodos más efectivos, simples y económicos para retrasar el desprendimiento de la capa límite como ha sido mostrado en diversos estudios [6], sin embargo cabe anotar que el uso de generadores de vórtices producen aumento en el arrastre bajo condiciones de flujo donde la separación no es inminente, es decir en casos donde el control no es necesario, sin embargo un buen diseño garantiza que este efecto sea mínimo comparado con el incremento favorable de la respuesta aerodinámica bajo otras condiciones de operación [7,8]. A forma de ejemplo de los beneficios que puede ser observados al utilizar generadores de vórtices, Shan et al. [9] midieron la zona de separación consiguiendo una reducción en la separación de más del 80%. Los estudios realizados han demostrado que el uso de GV en aspas de turbinas lleva a un aumento en la eficiencia de las mismas, al aumentar la sustentación. Aunque existen varios tipos de generadores de vórtices, los más utilizados son los tipo veleta que consisten en una placa rectangular plana y delgada, la ventaja de este tipo de GV es que pueden ser fácilmente acoplados sobre el perfil a diferentes ángulos consiguiendo así generar vórtices co-rotativos o contra-rotativos. Velte et al [10] investigaron los efectos que producen tres diferentes tipos de generadores de vórtices encontrando que los valores difieren, por lo cual se hace necesario realizar nuevos estudios en donde el impacto de la forma de los GV sea analizado a mayor profundidad. El estudio del uso combinado de succión y generadores de vórtices es de gran complejidad, sin embargo grandes avances se han logrado en la generación de modelos más robustos y rápidos, haciendo ahora posible simular el comportamiento del fluido sobre perfiles con diversas geometrías y características en programas CFD, permitiendo obtener resultados confiables para la posterior implementación practica y análisis experimental. Este trabajo tiene como objetivo realizar y analizar computacionalmente el comportamiento aerodinámico sobre el perfil NREL-S809 comúnmente utilizado en turbinas eólicas haciendo uso combinado de la succión y tres tipos de generadores de vórtices, con el fin de determinar la mejor y más eficiente combinación para retrasar el desprendimiento de la capa limite y por ende aumentar la eficiencia aerodinámica.

3 MODELO El efecto de la succión y de los GV fue analizado sobre un modelo solido del perfil NREL-S809 (camber 1% en x/c=0.81 y espesura máxima del 21% en x/c=0.38), utilizando una cuerda de 500mm. A continuación se describen con mayor detalle el diseño de los GV, la succión y la configuración utilizada en Ansys. Generadores de vórtices Para el diseño de los generadores de vórtice se deben considerar parámetros geométricos que influyen directamente en el control de la capa limite y por ende en el comportamiento global del perfil, la ubicación con respecto a la cuerda (x/c), la altura (h), la longitud del GV (l), la separación entre pares de generadores (ΔXvg), el ángulo de guiñada (βpd), el espesor de la platina (e) entre otros, deben ser escogidos cuidadosamente para evitar efectos contrarios a los buscados. Se tomó como base para la determinación de los parámetros geométricos el estudio hecho por Gordard et al [11] en donde se resumen y optimizan los diferentes tipos de GV que fueron efectivos en estudios anteriores, en especial los obtenidos por Lin[6]. Teniendo en cuenta que los generadores de vórtice tipo veleta han sido los más ampliamente estudiados, los parámetros geométricos seleccionados fueron: placas rectangulares de espesor (e=0.5 mm), altura (h=3mm) y longitud (l=12mm) montadas perpendicularmente a la superficie. La disposición es contra-rotativa con βpd=20º, la separación Δ Xvg es 25mm, la distancia entre centros de cada par de generadores es λ=75mm y la distancia entre los bordes de salida de las platinas L es de 50mm. Fig. 1. Figura 1, Geometría generadores de vórtices. Tomado de [11] Para mantener correspondencia en el estudio, los generadores de vórtices tipo cuña mantuvieron los parámetros de altura, largo y ángulo de guiñada de los GV tipo veleta. En el caso de los GV semiesféricos se utilizó la misma altura y se tomó como diámetro el largo de los GV tipo veleta. Para todos los casos los GV fueron ubicados en x/c=0.1 y se mantuvo la separación λ para todos los casos. Succión La cantidad de fluido succionado puede ser expresado por C q = Q/U * c *b, donde Q es el caudal (m 3 /seg), U es la velocidad de flujo libre, c la cuerda y b la envergadura del modelo. Tres regiones de succión fueron consideradas, la primera (SC1) en el borde de ataque de sde x/c= del intradós hasta x/c=0.1, la segunda (SC2) en el extradós de x/c=0.5 hasta x/c=0.65 y la última (SC3) entre 0.65<x/c<0.8 en el extradós. Para esta fase del proyecto se escoge hacer las simulaciones solamente en la región SC2 basados en los resultados mostrados por Gómez [12] donde se evidencia que en esta región de succión se presenta la mejor relación de incremento entre la eficiencia (L/D) y el aumento del Cl. Los modelos fueron realizados en Solid Works 2015 y posteriormente exportados a ANSYS 15, se definieron 4 geometrías, siendo la primera perfil base o limpio, la segunda con generadores de vórtice tipo veleta, la tercera con generadores de vórtice tipo cuña y la última con generadores tipo semiesféricos, para cada modelo las tres diferentes áreas de succión fueron definidas fig. 2.

4 (a) (b) (c) (d) Figura 2. Modelos geométricos (a) Perfil base, (b) GV tipo veleta, (c) GV tipo cuña y (d) GV tipo semiesférico. Configuración de la simulación Se realizó el análisis en estado estacionario en CFX, con una velocidad de flujo libre U = m/s para número de Reynolds ( Re) de 3*10 5. La velocidad de entrada fue dada en cada una de sus componentes para simular el cambio de ángulo de ataque. La succión fue simulada designando la respectiva sección del perfil como salida y asignando la velocidad como v= Cq*U. La imagen del dominio y configuración en CFX es mostrada en la fig.3. Figura 3.Dominio y configuracion en CFX. El modelo de turbulencia utilizado fue SST (Shear Stress T ransport) debido a su capacidad de capturar la influencia de diferentes factores que afectan la transición, ofreciendo ventajas significativas para este tipo de

5 estudios [5] en donde el interés está orientado a medir y comparar el comportamiento de la capa limite y sus efectos sobre los coeficientes aerodinámicos. RESULTADOS Y ANALISIS Se presentan las curvas de comportamiento de los coeficientes aerodinámicos (Cl, Cd), y coeficiente de presión (Cp). Teniendo en cuenta los resultados expuestos por Gómez [12], donde se muestra que la succión mejora sensiblemente el comportamiento de los GV, se realizó en esta primera fase del proyecto la simulación de cada uno de los generadores de vórtice con succión en la región SC2 0.5<x/c<0.65 con respecto al perfil base. Coeficientes de sustentación CL Los resultados muestran que la sustentación se incrementó con el uso de los GV y la succión para todos los casos analizados. Aun así los generadores de vórtice tipo 3 (semiesféricos) presentan un coeficiente de sustentación menor que los mostrados en los casos 1 (GV tipo veleta) y 2 (GV tipo cuña) en ángulos de ataque comprendidos entre 8 º y 14º, además en α= 12 º el perfil base presenta un mayor valor de Cl (1.02) contra el valor obtenido para GV tipo semiesférico (Cl=0.98). Los resultados para GV tipo veleta (GV1) y GV tipo cuña (GV2) son muy similares esto puede ser debido a que el ángulo de guiñada y la altura utilizada en los dos casos es la misma. El Cl aumento de 1,12 a 1,36 cuando α =16 º en todos los casos analizados con respecto al caso base fig. 4. Polar de arrastre Figura 4. Variación de Cl-α para Re= 3*10 5. Succión en SC2 0.5<x/c<0.65 El análisis de la curvas Cd-Cl, mostró que el uso de generadores de vórtice y la succión incrementan el arrastre hasta ángulos de ataque de 8 º con respecto al perfil limpio, a partir de ese punto los valores de arrastre del perfil base son mayores (Cd=0.14) que los obtenidos para los demás casos (Cd=0,12) a un ángulo de 16, esto es debido a que el desprendimiento de la capa limite se retrasa. Los generadores de vórtice tipo veleta tienen un leve mejor comportamiento al presentar menores valores de arrastre. Fig. 5.

6 Figura 5. Polar de arrastre. Succión en SC2 0.5<x/c<0.65 Coeficiente de presión. Se muestran los resultados para el caso de succión en la región SC2 ( 0.5<x/c<0.65) y cada uno de los generadores de vórtice en los ángulos de ataque α = 0 º fig. 6. y α =16 º fig. 7. El coeficiente de presión (CP) en α=0 º no presento mayores cambios en los casos analizados. Figura 6. CP para α=0 º y succión en SC2 0.5<x/c<0.65.

7 Figura 7. CP para α=16 º y succión en SC2 0.5<x/c<0.65 Para α=16 º es evidente el incremento del coeficiente de presión en el borde de ataque, siendo mayor para los casos 1 y 3. Lo cual contribuye al aumento de la sustentación. En la fig.8 se muestran los perfiles de velocidad para α=16 º del perfil base y de GV1- SC2. a. Perfil base b. GV1-SC2 Figura 8. Perfil de velocidad Eficiencia aerodinámica La eficiencia aerodinámica fue mayor en todos los casos analizados con respecto al perfil base para ángulos entre 4 º y 16 º, sin embargo cuando α=0 º la eficiencia es mayor en el caso base siendo L/D=1,47, comparado con los casos en donde se hace uso de generadores de vórtice y succión, siendo la eficiencia en el caso 1 de L/D=0,98, el caso 2 de L/D=0,97 y en el caso 3 de L/D=1,02, esto es debido a que los generadores de vórtice provocan aumento del arrastre y para un ángulo de 0 º su aporte en el incremento de la sustentación es prácticamente nulo. Los generadores de vórtices tipo semiesférico presentan un más bajo desempeño comparados con los GV tipo paleta y los GV tipo cuña e incluso la eficiencia es % menor comparada con el perfil base en α=12 º.Fig.9.

8 Figura 9. Curvas L/D-Cl. Succión región SC2 CONCLUSIONES Los resultados muestran que el perfil con generadores de vórtices tipo veleta y succión en la sección comprendida entre 0.5<x/c<0.65 aumenta en 21.43% la sustentación, reduce 14.28% el arrastre y mejora la eficiencia aerodinámica en 36.99% con respecto al perfil base a un ángulo de 16 º, con base a los resultados presentados anteriormente se determina que el objetivo primario del presente estudio fue alcanzado. Aunque los generadores de vórtice tipo semiesférico presentan mejores resultados para la mayoría de los ángulos con respecto al perfil base, su uso no es recomendado, ya que su comportamiento no es estable para todos los ángulos, además de tener peor desempeño en cuanto a la eficiencia aerodinámica, que los generadores tipo veleta y cuña. Este trabajo confirma los resultados antes obtenidos por otros autores, donde se demuestra que los generadores de vórtices son eficientes y económicos para controlar el desprendimiento de la capa límite y que el uso de succión es una técnica que ofrece beneficios en cuanto a disminuir el desprendimiento de la capa límite, aumentando la sustentación. Aun así es necesario realizar más estudios y corroborar los valores obtenidos por medio de las simulaciones CFD, con resultados experimentales. REFERENCIAS 1. E.Stanewsky, Adaptative wing and flow control technology, Progress in Aerospace Sciences, vol. 11, pp , H.J.B van de Wal, Design of a wing with boundary layer suction, M.Sc. thesis, Delf University of Technology, Holland, R. Eppler, Airfoils layer suction, design and off design cases, Aerospace Sci. Technology, vol. 3, pp , L. Huang, P. G. Huang y R.P. LeBeau, Numerical Study of Blowing and suction control mechanism on NACA0012 Airfoil, Journal of aircraft, vol. 41, 2004.

9 5. A. Piperas, Investigation of Boundary Layer Suction on a wind turbine airfoil using CFD, M.Sc. thesis, Technical University of Denmark, Denmark, C. Lin, Review of research on low-profile vortex generator to control boundary-layer separation, Progress in Aerospace Sciences, vol. 38, pp , G.W. Gyatt, Development and testing of vortex generators for small horizontal axis wind turbines, National Technical Information Service, DOE/NASA Jul, O. Logdberg, Vortex generators and turbulent boundary layer separation control, Technical Reports from Royal Institute of Technology, Stockholm, H. Shan, L. Jiang, C. Liu, M. love, B. Maines, Numerical study of passive and active flow separation control over a NACA 0012 airfoil, Computers & fluids, vol. 37 pp , C M. Velte, C Braud, S Coudert y J-M Foucaut, Vortex generator induced flow in a high Re boundary layer, J. Phys.: Conf. Ser , G. Gordard, M. Stanislas, Control of a decelerating boundary layer. Part 1: Optimization of passive vortex generators, Aerospace Science and Technology, vol. 10, pp , W. Gómez, Estudo da sucção no controle da separação da camada limite em perfis para turbinas eólicas, P.hD. thesis, Universidade de Sao Paulo, Brasil, UNIDADES Y NOMENCLATURA Re número de Reynolds (adimensional) U velocidad del flujo libre (m/s) C P coeficiente de presión (adimensional) C L coeficiente de sustentación (adimensional) C D coeficiente de arrastre (adimensional) Cq coeficiente de succión (adimensional) c cuerda (mm) h altura del generador de vórtice (mm) βpd ángulo de inclinación del GV ( ) e espesor del GV(mm)