EM974-Métodos Computacionais em Engenharia Térmica
e Ambiental
Uso de Difusores em
Turbinas Hidrocinéticas e
seu Impacto na Eficiência
ANDRÉ KUYUMJIAN LANE
MAURICIO SATOSHI KARASAWA TAMASHIRO
Motivação

Existe um grande incentivo na busca de geração de energia
alternativa à utilização do petróleo

A medida em que novas formas de geração de energia vão
surgindo, há um incentivo para torna-las mais eficientes

Máquinas axiais horizontais movidas a fluxo tem performance
diretamente relacionada com a velocidade de escoamento.
Motivação

Uma das formas de aumentar a velocidade do escoamento em
uma turbina, seja ela eólica ou hidrocinética, é a implementação
de um difusor.
Motivação

Do ponto de vista econômico e construtivo, os difusores são
componentes baratos e simples que podem melhorar a
performance das turbinas onde estão instalados

Baseado em estudos no mesmo sentido realizado em outros países,
procurou-se validar, através da simulação numérica com uso do
software PHOENICS, a utilização de difusores em máquinas de fluxo
e seu impacto qualitativo

O enfoque deste trabalho reside na avaliação da variação de
velocidade
do
escoamento
ocasionada
pelo
difusor,
desconsiderando efeitos da presença da turbina
Modelo Físico

No difusor há um desvio das linhas de corrente livre para seu interior

Considerou-se um difusor de geometria particular: uma flange no
plano de saída do escoamento.
Modelo Físico

Esta simples modificação na geometria produz uma aceleração do
escoamento no eixo central maior que a esperada de um difusor
sem flange

Isto ocorre devido a natureza fluidodinâmica do escoamento, em
que a presença da aba ao final do escoamento ocasiona uma
forte produção de vortex gerando uma região de baixa pressão o
que aumenta o fluxo mássico através do plano da turbina
Modelo Físico

Com a finalidade de diminuir o custo computacional e manter a
qualidade dos resultados, propõe-se uma geometria bidimensional
e axissimétrica para representar o difusor
Geometria:
• Diâmetro da entrada do difusor: 𝐷 = 0,2𝑚
• Largura da flange: ℎ = 0,5𝐷 = 0,1𝑚
• Comprimento do difusor: 𝐿 = 1,5𝐷 = 0,3𝑚
• Inclinação na geometria do difusor 𝜑 = 4°
Fluido do domínio:
• Ar atmosférico a 20°𝐶
• Densidade: 𝜌 = 1,189 𝑘𝑔/𝑚3
−
• Viscosidade: 𝜈 = 1,544 ∗ 10 5 𝑚2/𝑠
• Velocidade livre: 𝑈0 = 5,0𝑚/𝑠
𝑈 𝐷
• Número de Reynolds: 𝑅𝑒 = 0 ≅ 65000
𝑣
Modelo Computacional

Devido as características do estudo optou-se pela criação de uma
malha do tipo BFC (Body Fitted Coordinates), com regiões (ou
frames, denominados FN, com N = 1~8) distintas no plano XY
Modelo Computacional

Uma malha do tipo BFC é adequada para geometrias não
regulares, permitindo uma boa representação e economia no
refinamento da malha para regiões de interesse
Modelo Computacional

O domínio implementado no software foi dividido em uma malha
de 126 x 85 elementos
Modelo Computacional

Refinou-se a malha nas regiões de interesse, onde é previsto maior
mudança no comportamento do escoamento
Resultados Numéricos

A simulação apresentou convergência relativamente rápida, em
aproximadamente 1500 iterações

Além disso demonstrou baixos resíduos globais, conforme indicado
no arquivo RESULT
Resultados Numéricos

Na representação da velocidade na direção X é possível perceber
que o tamanho do domínio foi adequada para a geometria
considerada
Resultados Numéricos

Na distribuição da pressão é interessante notar a zona de baixa
pressão criada no interior do difusor
Resultados numéricos

Conforme previsto, nas proximidades do difusor há um
estrangulamento das linhas de corrente, além da região de
formação de vortex e consequente baixa pressão na saída.
Resultados Numéricos

Analisando as variáveis de resíduo para velocidades (RESU e RESV)
e pressão (RESP) encontram-se no corpo do difusor e tem valores
desprezíveis

Ativou-se a solução para distância adimensional (YPLS) para
verificar se a escolha do número de elementos foi adequada, para
isto o valor deve ser menor que 200, o que foi verificado
Análise dos Resultados

A partir dos resultados é possível investigar a variável de interesse
(velocidade na direção X) ao longo do eixo central ( 𝑟 = 0 ) e
comparar com resultados de trabalhos experimentais
•
Comparou-se três curvas de aumento de
velocidade (𝑈/𝑈0 ) versus posição (𝑥/𝐷): a previsão e
o experimental do estudo de Ohya e o resultado
deste trabalho
•
O maior ganho de velocidade é
𝑥
ocorrendo na posição = 0,4
𝐷
𝑈
𝑈0
= 1,603
Análise dos Resultados

Com a simulação para aplicação eólica validada, foi possível
explorar a aplicação de difusores para turbinas hidrocinéticas
considerando as modificações na dimensão da turbina (𝐷 = 0,6𝑚)
e características do fluído (água a 20°C) bem como velocidade
típica para um rio Amazônico
Para água a 20°C as propriedades do
consideradas foram:
• Densidade: 𝜌 = 998,23 𝑘𝑔 𝑚3
• Viscosidade: 𝜈 = 1,006 ∗ 10−6 𝑚2/𝑠
• Velocidade livre típica: 𝑈0 = 1,0 𝑚 𝑠
• Número de Reynolds: 𝑅𝑒 = 𝑈0 𝐷 𝑣 ≅ 600000
escoamento
Para efeito de comparação, foi feita uma simulação para
escoamento com 𝑅𝑒 = 20000
É interessante notar que o comportamento do fluído não sofre
alterações significativas com diferentes Números de Reynolds
no interior do difusor
Análise dos Resultados

Por fim, foi simulado o escoamento para diferentes tamanhos de
flange do difusor e observou-se o impacto na variável de estudo
( 𝑈/𝑈0 ), mantendo-se as demais variáveis constantes. Foram
computados os resultados para diferentes valores de ℎ/𝐷: 0,5, 0,25,
0,15 e 0
•
Nota-se que a presença da flange tem influências
significativas sobre a velocidade de escoamento (curvas
azul, verde e vermelha) com ganho máximo 𝑈𝑚á𝑥 /𝑈0: 1,60;
1,51 e 1,44 respectivamente em comparação com o
difusor sem flange (curva laranja)
•
Ainda assim, somente o difusor sem flange já demonstra
um certo ganho de velocidade para o escoamento. Para
este caso, o máximo 𝑈/𝑈0 = 1,172 ocorre em 𝑥/𝐷 = 0,2
Conclusões

A validação e estudo de uma importante variável nos sistemas de
geração de energia por escoamento de fluido (a velocidade axial)
foi executada com sucesso, sendo observado uma íntima relação
entre a simulação no PHOENICS e os resultados experimentais
apresentados na literatura

A partir do conceito de que a potência gerada por uma turbina
eólica ou hidrocinética é proporcional ao cubo da velocidade
axial do escoamento, conclui-se que a aplicação do difusor tem
um grande impacto na eficiência energética

Um local de potencial posicionamento da turbina no interior do
𝑥
difusor com a geometria estudada é no ponto = 0,4, onde a
𝐷
maior velocidade axial ocorre