Análise de modelos semiempíricos para a previsão de ruído gerado por aerofólios com aplicação em aerogeradores

Abstract

Wind turbines are called clean energy sources due to the low emission of gases that causes global warming during operation. However, wind turbine farms are noisy systems and need to be located far from populated areas. Therefore, wind turbine noise prediction models are relevant tools in the design of quieter wind turbines, to achieve systems with reduced environmental impact. Due to their low computation cost, semi-empirical noise prediction methods are attractive for coupling with optimization routines and for preliminary noise studies. Noise generated by the turbulent flow around airfoils is significant in both aircraft and wind turbine applications and the most significant noise source is due to the turbulent flow interaction with the airfoil trailing edge. In this work, an analysis of semi-empirical methods for predicting noise generated by the airfoil turbulent boundary layer was conducted. The main objective is to compare models in different case studies in terms of accuracy. Results from the Brooks, Pope and Marcolini (BPM) method, the TNO model from the TNO Institute of Applied Physics in the Netherlands and Lee (2018) model are discussed. The boundary layer parameters are inputs to the aeroacoustics models and were obtained from the XFOIL program. The results presented good agreement with other implementations in the literature.Cases with different geometries and flow regimes were analyzed with airfoils applied in wind turbines. Comparisons with experimental data, when available, are also presented. The sensitivity of the models to variations in the input parameters is also discussed.

A energia eólica é chamada de fonte energética limpa devido à baixa emissão de gases que causam o efeito estufa durante sua operação. Entretanto, essas instalações são sistemas ruidosos e precisam estar localizados longe de áreas populadas. Por conta disso, modelos de previsão de ruído são importantes ferramentas no projeto de turbinas eólicas mais silenciosas para a construção de sistemas com impacto ambiental reduzido. Em virtude do baixo custo computacional, os modelos semiempíricos são interessantes para estudos preliminares de ruído e de rotinas de otimização de aerofólios. O ruído gerado pelo escoamento turbulento em aerofólios é significante tanto para aeronaves quanto para aerogeradores e a principal fonte de ruído ocorre devido à interação do escoamento turbulento com o bordo de fuga. Neste trabalho, foi conduzida a análise de modelos semiempíricos de previsão do ruído gerado pela interação da camada limite turbulenta com o bordo de fuga do aerofólio. O objetivo principal é comparar os modelos em diferentes estudos de caso quanto à acurácia . Foram analisados os modelos de Brooks, Pope e Marcolini - BPM, o modelo TNO do instituto Netherlands Organization for Applied Scientific Research e o modelo de LEE (2018). Os parâmetros da camada limite, entradas para os modelos aeroacústicos, foram obtidos com o programa XFOIL. Os resultados apresentaram boa concordância com as implementações encontradas na literatura. Casos com diferentes geometrias e regimes de escoamento foram analisados com aerofólios aplicados em aerogeradores. Também foram realizadas comparações com dados experimentais, quando disponíveis. A sensibilidade dos modelos a variações nos parâmetros de entrada também é discutida.