Estudo numérico do impacto de ângulos de curvatura de pás na eficiência de turbinas hidrocinéticas

Abstract

Turbinas hidrocinéticas representam uma tecnologia promissora em energias renováveis, com impacto ambiental reduzido. Dentre as diversas estratégias de otimização voltadas para o aumento de performance de turbinas, a aplicação de ângulos de curvatura às pás das turbinas, amplamente estudadas para turbinas eólicas, permanece pouco explorada em contextos de energia hidrocinética. O presente estudo investiga a performance aerodinâmica de turbinas hidrocinéticas equipadas com pás curvadas, incluindo configurações de curvatura para frente e para trás, por meio de simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Um modelo de turbina de referência com pás convencionais e variações de ângulos de curvatura de 10°, 20° e 30° foram analisados utilizando uma modificação da teoria Blade Element Momentum combinada com uma transformação de coordenada radial, possibilitando uma abordagem consistente e de baixo custo computacional. As simulações foram conduzidas sob condições operacionais idênticas, utilizando o modelo de turbulência 𝑘–𝜔 SST para avaliar tanto a eficiência energética quanto o comportamento aerodinâmico. Os resultados indicam uma redução de aproximadamente 7% a 9% no coeficiente de potência máximo 𝐶𝑃 para turbinas com ângulo de curvatura de 30°, tanto na configuração para trás quanto para frente, em comparação com o modelo de referência. Apesar dessa diminuição no 𝐶𝑃, análises complementares revelaram importantes evidências sobre o desempenho aerodinâmico. Em particular, as pás curvadas para trás apresentaram comportamento mais favorável da região da esteira, com descolamento retardado do escoamento e menor intensidade de turbulência. Além disso, o comprimento de recuperação de pressão e velocidade a jusante do rotor também se mostrou mais favorável para a configuração curvada para trás. Esses achados evidenciam um equilíbrio entre eficiência e controle do escoamento, que pode orientar futuras estratégias de projeto. Esta pesquisa aborda lacunas relevantes na literatura, caracterizada pela escassez de estudos voltados para turbinas hidrocinéticas com pás curvadas e pela ausência de padronização nas metodologias de avaliação dessas geometrias. Ao propor uma estrutura metodológica numérica consistente e replicável, o presente trabalho contribui com uma ferramenta de otimização geométrica para pás de turbinas hidrocinéticas baseadas em curvatura das pás, combinando fidelidade física e eficiência computacional.