Evaluación del rendimiento de un perfil aerodinámico bajo la acumulación del hielo mediante simulaciones CFD

Abstract

Los perfiles utilizados en las palas de los aerogeneradores tienen un gran efecto sobre el comportamiento aerodinámico. La incorporación en los métodos de ingeniería de los efectos tridimensionales y de rotación obtenidos mediante simulaciones numéricas ha permitido mejorar sustancialmente el diseño de las palas. Un avance más en la mejora de los modelos es la modificación del estado de la superficie del perfil por efectos ambientales. La presencia de erosión, suciedad o nieve en el borde de ataque reduce el comportamiento aerodinámico de los perfiles. Por tanto, incorporar sus efectos mejoraría las predicciones. Sin embargo, la implementación de estos efectos en modelos numéricos es compleja. En este trabajo, solo se tendrá en cuenta el efecto de la acumulación de hielo/nieve. El estudio se realiza sobre la turbina de eje horizontal NREL PHASE VI con el perfil S809. La teoría BEM se aplica para realizar simulaciones numéricas 2D precisas en primer lugar, de un perfil limpio (sin modificar) y después de un perfil acrecentado. Este último se construye mediante la modificación del perfil según las indicaciones de la herramienta Icing de ANSYS Fluent. Las simulaciones se realizan bajo el modelo matemático con ecuaciones RANS mediante el modelo de turbulencia SST k-ω, que predice adecuadamente el comportamiento de la capa límite. Los resultados de CFD se evalúan en diferentes secciones del perfil y se comparan con las predicciones de otros autores en términos de coeficientes aerodinámicos. Las simulaciones predicen un aumento en el coeficiente de arrastre (CD +33%), y una disminución en el coeficiente de sustentación (CL -9%). La presencia de acumulación de hielo afecta en el rendimiento aerodinámico a lo largo de todo el tramo de la pala, siendo ligeramente más pronunciada hacia la base de la pala. Este trabajo presenta una nueva metodología de ingeniería capaz de predecir con precisión el rendimiento de un perfil aerodinámico bajo la acumulación del hielo con un coste computacional reducido.