Visualização de escoamento em canal hidráulico de direcionadores de escoamento aplicados a turbinas eolicas

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo realizado em testes experimentais em um dispositivo que melhora a eficiência de turbinas eólicas de eixo vertical em topo de edificações. Para a realização do experimento, foi projetado e construído um canal hidráulico de circuito fechado de água. Também foram confeccionados dois protótipos deste dispositivo em uma impressora 3D que foram testados dentro deste canal hidráulico. Os protótipos estavam localizados acima de bases retangulares que simulam um meio urbano. Foram analisadas as linhas de corrente no canal com a presença de dois direcionadores de escoamento: um apresentado na literatura (Chong et al., 2013) e outro proposto no presente trabalho. As linhas de corrente que adentram os direcionadores foram comparadas e analisadas por meio de uma técnica de injeção de tinta nanquim em três compartimentos com três cores diferentes. As tintas eram injetadas por meio de agulhas que estavam posicionadas a montante dos dispositivos dentro deste canal hidráulico. Foram utilizadas duas câmeras simultaneamente para captar as imagens do experimento. Para a análise quantitativa das imagens foi utilizado o software Tracker (2016) para rastrear as posições variadas das tintas presentes na cena. O experimento foi realizado com Reynolds a, aproximadamente, 300 e velocidade média de escoamento de 4,7 mm/s. Os resultados mostram que dependendo do percurso das linhas de corrente ao se aproximar do direcionador em três diferentes regiões, estas percorrem o interior do dispositivo com padrões distintos de escoamento. Com o software de visualização também foi possível obter dados das posições das linhas de corrente que adentravam os direcionadores sobre o escoamento. As linhas de corrente que entravam pela região central foram comparadas e se constatou um aumento de aproximadamente 10% na velocidade comparando com o observado pelo proposto pela literatura. Através da análise de diversas filmagens em ambos os direcionadores, não foi possível detectar regiões de recirculação no seu interior. Este fato se deve possivelmente pela velocidade de escoamento reduzida utilizada durante os experimentos, o que foi necessário para que as linhas de corrente não se difundissem na presença dos direcionadores. Com maiores vazões, não foi possível obter uma conformidade das linhas de corrente e uma consequente análise nesta vazão volumétrica.

This paper presents a study that was done with experimental tests on a device that improves efficiency of a vertical axis wind turbine on top of buildings. For the experiment, it was designed and built a closed-circuit hydraulic channel of water. It was also made two prototypes of this device in a 3D printer that were tested in this hydraulic channel. The prototypes were located above rectangular bases that simulate an urban environment. Streamlines were analyzes in the channel with the presence of two guide vanes: one presented in the literature (Chong et al, 2013) and another proposed in this paper. The streamlines that enter in guide vanes were compared and analyzed by an ink injection technique into three compartments with three different colors. The inks were injected by needles which were positioned upstream of the devices in this channel. Two cameras were used simultaneously to capture images of the experiment. For quantitative analysis of the videos, the software Tracker (2016) was used to track the various positions of the ink presents on the scene. The experiment was performed with Reynolds number approximately equals to 300 and average flow velocity of 4,7 mm/s. The results show that depending on the path of the streamline when approaching the guide vane, it will run with different flow patterns inside of the device. With the visualization software was possible to obtain data of the positions of the streamlines that entered the guide vanes. The streamlines that entered in the central region were compared and it was found an increase of approximately 10% in speed compared to that was observed for the one proposed in the literature. Through analysis of several shots in both guide vanes, it was not possible to detect flow recirculation regions inside the device. This fact is probably due to the reduced flow rate used during the experiments, which was necessary for the streamlines not to diffuse in the presence of the guide vanes. With higher flow rates, it was no possible to obtain conformity of the streamlines and a consequent analysis in this volume flow.