TURBINAS HIDROCINTICAS PARA O APROVEITAMENTO DO POTENCIAL
REMANESCENTE EM USINAS HIDRELTRICAS
Bolsista: Thiago Vinicius Castro Rezende
Orientador: Dr. Jos Gustavo Coelho
Departamento de Engenharia Mecnica
INTRODUO Atualmente a necessidade de gerao de energia uma
realidade do Brasil e tambm outras partes do mundo. No caso do
nosso pas, a maior gerao de energia se da por conta de usinas
hidreltricas devido ao grande potencial presente. Apesar de
eficientes, as usinas hidreltricas causam muitos danos ao meio
ambiente e necessitam de barragens e grandes espaos para a operao.
Tendo em vista o esse potencial do nosso pas, o estudo de novos
mtodos para se produzir energia torna-se necessrio e importante.
Turbinas hidrocinticas podem ser uma boa alternativa, j que no
necessitam de barragens e so ancoradas diretamente ao curso de gua
aproveitando a energia cintica do escoamento. As turbinas so
instaladas no ponto do rio onde a velocidade mdia do escoamento
maior, para ter um maior aproveitamento. Elas so constituidas de um
rotor e um difusor, que tem o papel de aumentar a presso,
melhorando a gerao de energia e so definidas como turbinas de fluxo
livre, assim como as turbinas elicas. A utilizao dessas turbinas
reduzem gastos, danos ao meio ambiente alm de serem fceis de
instalar e realizar manuteno. Atualmente muitas pesquisas esto
sendo realizadas no mbito de obter melhores resultados na gerao de
energia. Nesse trabalho o objetivo realizar um estudo de malhas nas
geometrias geradas do rotor e difusor para tentar representar os
resultados com o menor erro possvel em relao aos valores reais. O
estudo do rotor e difusor foi baseado em um paper apresentado no
Congresso internacional de engenharia mecnica (COBEM) de 2007,
escrito por Rodrigo Queiroz Neiva, Aldo Joo de Sousa, Jos Gustavo
Coelho e Antnio C.P. Brasil Junior ambos, na poca, vinculados
Universidade Estadual de Braslia, entitulado: Experimental and
numerical study of the swirling in conical difusers. A comparao de
resultados das diversas malhas nesse trabalho est baseada nos
valores experimentais obtidos por esse paper. Depois desse processo
o prximo passo analisar o desempenho das turbinas atravs de simulao
numrica usando o software CFX.
METODOLOGIA
Primeiramente foi construda a geometria do rotor e difusor no
software SolidWorks, para us-la nas simulaes. Com a geometria
pronta o prximo passo foi o estudo de malhas. A malha um dos
principais, seno o principal, parmetro para uma boa simulao, pois
uma malha boa consegue descrever melhor o problema. Foi o processo
mais demorado e trabalhoso, pois o processo de construo de malhas
no intuitivo e necessita de vrios testes para ver a qualidade da
mesma. Depois de vrios testes de mtodos para gerao da malha, o
resultado final foi a diviso da geometria em quatro domnios
diferentes para gerar mtodos diferentes em cada um, j que algumas
partes da geometria no de interesse, como a sada. Em cada domnio
foi aplicado mtodos diferentes com tamanho de elementos diferentes,
dando maior nfase no rotor e no difusor, que so pontos de interesse
no estudo. Os mtodos utilizados foram o sweep e body sizing. Aps
esse processo, a anlise da qualidade foi feita para validar a malha
em questo. De acordo com os parmetros (orthogonal quality, swekness
e aspect ratio) concluiu-se que a malha estava boa para realizar a
simulao. A prxima etapa, foi impor as condies de contorno no
CFX-Pre. Para o problema em questo, foi usada a condio de no
escorregamento nas paredes e uma vazo de 40 L/min. Nessa etapa
tambm foi definido os modelos de turbulncia, que so modelos
matemticos que descrevem a turbulncia causada pelo rotor. Nesse
trabalho trs modelos de turbulncia foram analisados: k-, k- e SST.
O primeiro o modelo padro que o software impe e o mais comum e
apresenta bons resultados para pequenos gradientes de presso e em
casos em que a presso mdia relativamente baixa. O modelo k-
apresenta bons resultados prximo parede, caracterizando bem a
subcamada laminar da camada limite. O modelo SST uma juno dos dois
anteriores, sendo que prximo parede ele utiliza o k- e no centro do
escoamento o k-. O modelo k- no obteve convergncia.
RESULTADOS
Depois de realizadas simulaes com os trs modelos de turbulncia,
os
resultados foram comparados com o experimental. Percebe-se um
resultado bom
e prximo de velocidade, tendo pequenos desvios em relao ao
experimental.
CONCLUSO Depois de concluda toda a anlise, pode-se dizer que os
objetivos do projeto foram atingidos. O estudo de caso em questo
possibilitou um grande aprendizado e base para trabalhos
posteriores. Analisando os resultados, pode-se perceber que o
modelo k- se aproximou mais dos valores de velocidade e o SST
obteve melhor distribuio. Um estudo mais criterioso sobre malhas
poderia ter levado a resultados mais exatos com o experimental,
possibilitando uma melhor anlise.
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
Coelho,J.G.,Brasil,A.C.P.J., Simulao Numrica da Influncia do
Swirl em
Difusores, 11th Brazillian Congress of Thermal Sciences and
Enginnering, ENCIT
2006, ABCM, Brasil.
Coelho, J. G., Noleto, L. G., e Brasil, A. C. P. J., Escoamentos
Turbulentos em
Difusores Cnicos simulaes Transientes, 5 Escola de Primavera de
Transio
e Turbulncia, EPTT 2006, ABCM, Brasil.
Bardina, J.E., Huang, P.G., Coakley, T.J. (1997), "Turbulence
Modeling Validation,
Testing, and Development", NASA Technical Memorandum 110446.
a) Resultado experimental
b) Resultado k-
c) Resultado SST
