Adaptfoil2D: diseño de perfiles de aerogeneador incluyendo geometrías variables

Existen diferentes aproximaciones para la modelización de perfiles de geometría variable. El primer nivel está relacionado con el desarrollo de soluciones basadas en la teoría clásica de perfiles finos. En la referencia [3] se puede encontrar una excelente revisión de esta teoría para aplicaciones prácticas. Un ejemplo es el código AdaptFoil1D [4] desarrollado y validado por Cener (Centro Nacional de Energías Renovables). El segundo nivel de modelización corresponde a los códigos de paneles, que pueden mostrar un buen equilibrio entre coste computacional y exactitud. El libro de Katz [5] es una de las recopilaciones más completas y didácticas sobre los métodos de paneles. Finalmente, el nivel más alto de modelización se alcanza mediante uso de códigos CFD, con una representación detallada del flujo y el perfil, pero con costes computacionales mucho mayores. La referencia [6] de Fletcher es una buena base para este tipo de técnicas.

El objetivo principal del trabajo llevado a cabo en Cener es el desarrollo de un código de paneles llamado AdaptFoil2D. Se trata de una herramienta aeroelástica para modelar perfiles de aerogenerador, incluyendo geometrías variables que se adapten a las condiciones existentes en diferentes situaciones. Las aplicaciones principales serán el diseño en los perfiles de elementos para control aerodinámico de las cargas y el comportamiento aeroelástico. El desarrollo del código propuesto viene a responder a una falta de herramientas adecuadas y fiables en la fase de diseño. El objetivo último será una disminución del coste de la energía a través de mejoras en la eficiencia aerodinámica o una disminución en el coste de la pala. Actualmente, existe una versión del código validada para flujo pegado, y una versión para flujo separado y pérdida dinámica en desarrollo.

Desde un punto de vista aerodinámico, el código está basado en el método de paneles, que básicamente es una aproximación numérica para representar el comportamiento de un cuerpo en unas determinadas condiciones de flujo. La geometría del cuerpo, en este caso un perfil aerodinámico, se divide en un número finito de paneles con una distribución de elementos singulares asociados (fuentes, vórtices o dobletes). El conjunto de singularidades debe hacer cumplir la condición de no penetración del flujo a través de la superficie del perfil en un conjunto de puntos discretos.

Actualmente, existe una versión de AdaptFoil2D para flujo pegado, totalmente validada para perfiles aerodinámicos con las siguientes características:

• Las singularidades usadas en los paneles son dobletes y fuentes de intensidad constante.
• Las condición de no penetración es una combinación de la de Neumann y la de Dirichlet.
• Para la condición de Kutta, existe un punto de remanso en el punto de separación del flujo.
• La estela viene conformada por vórtices discretos.

Además de la versión para flujo pegado, está actualmente en desarrollo una versión para flujo separado. La motivación es estimar la influencia del comportamiento de los elementos de control en condiciones de flujo separado e incluso pérdida dinámica, presentes frecuentemente durante el funcionamiento de los aerogeneradores. Esta versión incluye un punto de separación adicional para tener en cuenta las dos posiciones en que el flujo se despega de la superficie. Este punto viene prescrito en función del perfil, número de Mach y de Reynolds, aunque su comportamiento no estacionario es calculado por el código.

Por último, la contribución estructural del perfil o sección de pala es incluida de forma muy simplificada basada por un lado en un movimiento de sólido rígido. La masa y momento de inercia son asumidos en un único punto de la línea media, donde se acopla un sistema de muelles y amortiguadores simulando las propiedades estructurales de la sección de pala. Este movimiento se combina con una aproximación para deformaciones en las regiones hacia el borde de ataque y hacia el borde de salida, basado en el modelo de viga estática de Euler-Bernoulli, con la posibilidad de seleccionar los valores de la rigidez a flexión.

AdaptFoil2D, junto con el código AdaptFoil1D para cálculos preliminares, ofrece una metodología eficiente para la evaluación en fase de diseño del comportamiento aeroelástico de perfiles 2D, incluyendo casos de geometría variable. Desde un punto de vista práctico, ambas herramientas pueden ser integradas en los procesos de diseño de palas o aerogeneradores, con la posibilidad de tener en cuenta sistemas de control distribuido más adecuados y eficientes que los sistemas actuales.

La versión de flujo pegado ha sido validada con una extensa lista de casos estacionarios y no estacionarios, y puede ser utilizada ya en procesos de diseño. Para tener además en cuenta todas las condiciones reales en los aerogeneradores, incluyendo situaciones de flujo separado en las secciones de pala, o pérdida dinámica, está en desarrollo una versión del código que incluye la posibilidad de modelar separación de flujo en el perfil.

Bibliografía

[1] Barlas, T.K., and Van Kuik, G.A.M., Review of state of the art in smart rotor control research for wind turbines, Progress in Aerospace Sciences, 46, pp. 1–27, 2010.

[2] Buhl, T., Gaunaa, M., and Bak, C., Load reduction potential using aerofoils with variable trailing edge geometry, In Proceedings of the 43rd AIAA/ASME, Reno, NV, USA, 2005.

[3] Bisplinghoff, R.L., Ashley, H., and Halfman, R.L., Aeroelasticity. Dover Publications, Inc., 1955.

[4] González, A., Aeroelastic modelling of wind turbine deformable aerofoils, PhD transfer report, Department of Aeronautics, Imperial College London, 2011.

[5] Katz, J., and Plotkin, A., Low-speed aerodynamics. Cambridge Aerospace Series, 2001.

[6] Fletcher, C.A.J., Computational techniques for fluid dynamics. Springer Series.

Distribución de presión y geometría con un flap activado en el borde de salida