Energia eoliană [618132]

3

Cap. 1
Energia eoliană

1.1 RESURSA EOLIANĂ

Datorită încă lzirii diferen țiate de către soare a atmosferei terestre precum și ca urmare
a for ței Coriolis asociate cu mișcarea de rota ție a Pământului, apar mișcări ample ale maselor
de aer,ceea ce conduce la clasificarea energiei eoliene ca fiind o formă indirectă de energie
solară. Se subînțelege deci că distribu ția energiei eoliene este neuniformă de la o regiune la
alta. Analizând deplasarea curen ților de aer pe verticală, viteza curenților de aer crește
gradual cu înălțimea, până când se stabilizează la o altitudine ce poate ajunge până la
aproximativ 2000 m.
Datorită for țelor de frecare și a neu niformității geometrice a terenului și diverselor
construcții, în apropierea suprafeței Pământului viteza scade semnificativ. Se ia în calcul
factorul 0z, de rugozitate a terenului, care reprezintă înăl țimea teoretică până la care vit eza
vântului este zero.
Tabelul 1. 1 prezintă valori ale factorului de rugozitate pentru diverse tipuri de terenuri și
construcții. De asemenea, 0z , poate fi calculat direct dacă se efectue ază simultan măsurători
ale vitezei vântului la două înă lțimi diferite și se aplică următoarea lege [1]:

2 11 2 2 1
0ln lnlnvvz vzvz (1.1.1)
unde 1v și 2v reprezintă vitez ele măsurate ale vântului la înă lțimile z1, respectiv z2.
Pentru valorificarea resursei eoliene, este de interes cunoa șterea variației vitezei
vântului până la o înălțime de maxim 150 m în raport cu suprafa ța terenului. Legea de
varia ție a vitezei este definită de relația:

a
zzvv



21
2 1 (1.1.1)
Constanta a reprezintă exponentul lui Hellman și depinde întrutotul de tipul suprafeței
terenului, stabilitatea aerului, perioada din zi, anotimpul, temperatura și rugozitatea
suprafeței. Câteva exemple de valori ale exponentul lui Hellman sunt prezentate în tabelul
1.2. Valoarea acestuia se poate calcula după următoarea relație logaritmică :

24,0) (ln 016,0 ln 096,02o o z z a (1.1.2)

4
Tabelul 1.1 valorile factorului de rugozitate pentru diverse tipuri de teren [2],[3]
Tipul terenului/ construcțiilor zo [m]
Suprafețe plane umede, turbării, suprafețe plane
arctice 10-53×10-5
Suprafețe plane nisipoase sau înzăpezite 2×10-410-3 (tipic 0,051)
Suprafață oceanică liniștită 23×10-4
Iarbă cosită 0,0010,01
Iarbă de mică înălțime 0,010,04 (tipic 0,032)
Teren agricol nelucrat (pârloagă) 0,020,03
Iarbă cu înălțime mare, culturi agricole joase 0,040,105(tipic 0,103)
Culturi agricole de înălțime mare, suprafețe cu
arbuști 0,254
Teren împădurit 0,11(tipic 0,505)
Teren cu construcții de mică înălțime, suburbia 12
Oraș 14

Tabelul 1.2  Exemple de valori ale exponentului lui Hellman [4]
Locația și starea atmosferei a
Atmosferă instabilă deasupra unei suprafețe de apă 0,06
Atmosferă neutră deasupra unei suprafețe de apă 0,10
Atmosferă instabilă deasupra unei zone plane de coastă 0,11
Atmosferă neutră deasupra unei zone plane de coastă 0,16
Condiții atmosferice constante deasupra unei suprafețe de apă 0,27
Atmosferă instabilă deasupra habitatelor umane 0,27
Atmosferă neutră deasupra habitatelor umane 0,34
Condiții atmosferice constante deasupra unei zone plane de coastă 0,40
Condiții atmosferice constante deasupra habitatelor umane 0,60

Puterea vântului este direct proporțională cu cubul vitezei acestuia. De exemplu ,
puterea disponibilă pentru o viteză de 10m/s este de 8 ori mai mare decât pentru o viteză de
5m/s. Pentru a calcula puterea dezvoltata de o turbină eoliană , se pornește de la ecuația
energiei cinetice cE a masei de aer mcare se deplasează cu viteza v:
2 22 2Vv mvEc (1.1.3)
Masa m a fost exprimată ca produs al densității  și al volumului V de aer. Pentru
a determina volumul, se ia în considerare aria A acoperita de rotorul turbinei eoliene,
perpendiculara pe direcția curgerii aerului. Pentru o turbina cu ax orizontal care are diametrul
rotorului D, aria este :
42DA
(1.1.4 )
iar volumul de aer ce traversează rotorul in timpul t este

5
tvDtvAV 42
(1.1.5)
Astfel ecuația energiei cinetice 1.1.3 devine
83 2tvDEc
(1.1.6)
Energia utilă uE pe care o turbină o recuperează din energia vântului și o convertește
în energie electrica se calculează după relația :
f e i u E EE E  (1.1.7)
În ecua ția 1.1.5, iE și eE, reprezintă energia masei de aer înainte, respectiv după ce
a interac ționat cu turbina, iar fE, este energia pierdută prin frecare în transmisia turbinei și
în generator. În literat ura de specialitate se obișnuieș te ca energia utilă să fie exprimată în
raport cu iE și cu randamentul turbinei cuantificat prin coeficientul aerodinamic de putere al
acesteia pC:
p p i c CtvDCE E 83 2
(1.1.8)
sau, ținând cont de faptul că puterea este energia livrat ă în unitatea de timp, rezultă relația de
calcul a puterii turbinei:
pCvD P 3 2
81 (1.1.9)
Relația anterioară este valabilă pentru turbinele cu ax orizontal. Generalizând pentru orice tip
de turbi nă al cărei rotor acoperă aria A, aceasta devine:
pCvA P 3
81 (1.1.10)
Chiar și în situa ția în care nu ar exista pierderi prin frecare, randamentul maxim al
unei turbine nu ar putea depăși valoar ea 59,3%, deci un coeficientul pC , de maxim 0,593.
Această limită a fost calculată de Albert Betz în baza principiilor de conservare a energiei și
publicată în 1920. Turbinele moderne de mare cap acitate ating randamente de 40  45%. În
figura 1.1 se observă variația coeficientului de putere pC, al diferitelo r tipuri de turbine
eoliene în funcție de raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza vântului.

6

Fig. 1.1 — Varia ția coeficientului C, cu raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza
vântului, pentru diferite tipuri de turbine eoliene

Din relațiile 1.1.9 și 1.1.10 se observă că puterea dezvoltată de tu rbina eoliană este
proporțională cu puterea a treia a vitezei vântului, cu pătratul diametrului rotorului și cu
densitatea aerului . Aceasta din urmă depinde de altitudine, temperatură, umi ditate și de
coordonatele zonei geografice (latitudine și longitudine).
În majoritatea cazurilor generatorul antrenat de turbina eoliană începe să producă energie
electrică a tunci când puterea vântului depă șește puterea necesară învingeri i forțelor de frec are
din transmisie și pierderile prin frecarea dintre curenț ii de aer și paletele turbinei. Viteza
vântului la care turbina atinge puterea nominală este numită viteză nominală. La viteze ale
vântului care pun în pericol integritatea structurală a turbinei datorită forțelor centrifuge,
rotorul este amplasat pe o direcție care dif eră de direcția vântului iar generatorul este oprit.
În cazul turbinelor cu generatoare sincrone, pentru a extrage maximum de putere și
pentru viteze ale vântului mai mari decât vite za nominală, se controlează val oarea
coeficientului de putere pC, prin rotirea paletelor sau a vârfurilor lor în jurul axei
longitudinale, modificând astfel unghiul de atac al paletei.
Figura 1.2 arată varia ția coeficientului pC, în funcție de raportul  dintre viteza periferică a
paletei și viteza vântului, pentru unghiuri de atac de până la 15o. Cantitatea de energie pe care
rotorul o poate extrage din energia v ântului depinde de tura ție. Dacă aceasta este prea mică, o
parte din masa de aer în mișcare va trece printre palete fără a le influența, iar dacă turația este
prea mare turbulențele create de o paletă vor interacționa cu paleta următoare influențându -i
negativ funcționarea. Turația optim ă este d efinită în general de raportul  dintre viteza
periferică a paletei pv și viteza vântului vv:

7
vp
vv (1.1.11)

Fig. 1.2 — Variația coeficientului C, cu raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza
vântului pentru diferite unghiuri de atac )

8
1.2 CONSTRUCȚIA ȘI FUNC ȚIONAREA TURBINELOR EOLIENE
Indiferent de categoria din care fac parte, în construcția sistemelor de conversie a
energiei eoliene în energie electrică intră rotorul cu palete, multiplicatorul de tura ție (acesta
nu este necesar la unele modele de turbine de putere mică), frâna și generatorul. La turbinele
cu ax orizontal este de asemenea necesar un sistem de orientare a rotorului pe direcția
vântului.
În funcție de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal și cu ax vertical.
Modelele cu ax orizontal sunt cele mai răspândite, la rândul lor clasificându -se după
amplasarea sistemului în raport cu vântul, în (vezi. figura 1.3):

Fig. 1.3 — (a) amplasare în amonte, cu sistem activ de orientare; (b) amplasare în amonte, cu
sistem pasiv de orientare; (c) amplasare în aval [13]
Sisteme cu amplasare în amonte, când primul contact cu vântul îl iau paletele
rotorului. Este necesar ca rigiditatea paletelor să fie mai mare pentru a evita contactul cu
turnul prin încovoiere sub acțiunea curen ților de aer. De asemenea, se impune existența unui
sistem de orientare după direcția vântului.
Sisteme cu amplasare în aval este considerat sistemu l în care turnul și nacela au
primul contact cu vântul, după care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu
amplasare în amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare și nu este necesar sistemul de
orientare întrucât ansamblul nacelă -rotor se a uto-orientează. Aceste avantaje se traduc printr –
o valoare mai mică a investiției ini țiale. Pe de altă parte însă, datorită turbulen țelor și
pierderilor de viteză a vântului la interacțiunea cu nacela și turnul, aceste sisteme au un
randament mai scăzut. D e asemenea, atât turbulen țele cât și pierderile de presiune din spatele
turnului conduc la varia ții bruște și periodice ale solicitărilor în palete, acestea necesitând o
rezistență sporită la oboseală.

9
Componentele unei turbine e oliene sunt puse în evidenț ă în figura 1.4. Paletele
turbinei pot fi confecționate din fibră de sticla, lemn, oțel, aluminiu sau titan și sunt în număr
de maxim patru, existând și un model cu o singura paletă și o contragreutate în locul paletei
pereche. Această soluție aparte oferă avantajul unui preț mai scăzut. Totuși, între versiunile
comerciale, cea mai ieftină este cea cu două palete însă, la fel ca și modelul cu o paletă,
nivelul lor de zgomot este mai ridicat. Rotoarele cu patru palete sunt bine echilibrate însă au
o masă mar e și o eficien ță raportată la cost mai scăzută [6]. De asemenea, datorită numărului
par de palete, construcția manifestă probleme de stabilitate la fiecare rotație atunci când
paleta superioară se află în poziție verticală superioară, datorită faptului că dezvoltă putere
maximă în timp ce paleta inferioară se află în umbra t urnului de susținere. Figura 1.5 arată o
diferență considerabilă a valorii factorului de putere între rotoarele cu o paletă și cele cu două
palete, creșterile fiind însă nesemnificative în raport cu investiția inițială pentru un număr de
palete mai mare de trei.
Soluția de compromis utilizată în prezent pe scară largă este rotorul cu trei palete.
Pentru acest tip de rotor parametrul  are valori optime cuprins: între 6 și 7, ceea ce arată că
turația optimă a turbinei variază cu viteza vântului.

Fig. 1.4Elementele componente ale unui sistem de conversie a energiei eoliene [14]

10

Fig.1.5 Variația coeficientului de putere (C p) cu numărul paletelor rotorului (z)
și raportul  [7]

Butucul rotorului poate fi rigid sau cu o u șoară “bătaie” radială care permite eliberarea
unei părți din solicitările structurale transmise de palete.
Turațiile la care ajung rotoarele turbinelor moderne de mare capacitate sunt cuprinse
între 5 și 20 rot/m in. În același timp, generatoarele funcționează la 800 -3000 rot/min, ceea ce
impune existența unei transmisii între generator și rotor care să multiplice turația acestuia din
urmă.
Transmisiile sunt supuse unor solicitări mecanice cu varia ții și frecvențe mari datorită
momentului rezistent variabil opus de generator, în tendința acestuia de a -și sincroniza
permanent turația cu frecvența fixă la care trebuie să livreze energie electrică, în condiții de
fluctua ții ale vitezei vântului. Este deci necesară o co nstrucție robustă, care trebuie ridicată la
înălțimea nacelei în cazul turbinelor cu ax orizontal și care necesită o întreținere permanentă.
Datorită problemelor ridicate de investiția inițială și de costurile de întreținere, devin
din ce în ce mai populare soluțiile cu conectare directă la generator sau cu generatoare cu
funcționare la tura ție variabilă. Această din urmă variantă reduce semnificativ solicitările
mecanice asupra transmisiei și crește randamentul global al întregului sistem.
Generatoa rele antrenate direct de la rotor elimină transmisia, însă au dimensiuni și
mase semnificativ mai mari decât generatoarele cu antrenare prin intermediul transmisiei,
ceea ce le face dificil de utilizat în special în construcția turbinelo r de mare capacitat e (figura
1.6).
Turbinele moderne cu i njectarea energiei direct în rețea necesită sincronizare cu
frecvența rețelei. În trecut, soluția constă în utilizarea generatoarelor asincrone, însă controlul
turației acestora contribuia la destabilizarea rețelei, ce ea ce a impus soluții de compensare
reactivă pentru parcurile de turbine de mari dimensiuni.
Utilizarea unui generator sincron convențional presupune o tura ție constantă a
acestuia pentru a furniza energie la frecvența rețelei, ceea ce înseamnă c ă și rotor ul turbinei

11
trebuie să aibă o turație constantă. Se utilizează astfel doar parțial potențialul energetic al
curenților de aer, care au viteze variabile în timp.
O soluție care rezolvă parțial problema, implementată de unii producători, constă în
utilizarea a două generatoare, fiecare cu câte o tura ție nominală, pentru vânt cu viteză mică
respectiv mare. Rămâne însă nerezolvată problema momentului rezistent variabil cu care
generatorul acționează asupra transmisiei în încercarea de a -și menține constantă tur ația. În
prezent există două tipuri de generatoare pentru turbine eoliene care pot funcționa la turații
variabile:
(1) cu conversie parțială, care permit variații ale turației între 10 și 20%;
(2) cu conversie totală, mai costisitoare din punct de vedere al prețului însă mult mai
flexibile la varia țiile vitezei vântului.

Fig. 1.6 — Generator cu antrenare directă de la arborele rotorului; dimensiunea este
de 10 ori mai mare decât a unui generator antrenat prin intermediul transmisiei [7]
Turnurile utili zate în prezent la turbinele de mare capacitate sunt în general din beton
sau oțel și sunt fixate pe o fundație solidă, cu un diametru mai mare decât cel al turnului. Cea
mai întâlnită soluție o constituie însă turnurile din secțiuni cilindrice metalice îmbinate între
ele.
Elementele în funcție de care se stabilește diametrul turnului sunt înălțimea turbinei și
diametrul rotorului, ambele fiind influen țate de capacitatea nominală a sistemului și de
necesitatea de a ridica rotorul la o înălțime suficientă pentru a -l feri de turbulențele din
apropierea solului și pentru a beneficia de viteze mai mari ale vântului. Pentru fiecare 10 m
câștigați pe înălțime este posibilă o creștere a puterii cu până la 36% [7]. Din punct de vedere
estetic, se consideră optimă varianta în ca re înălțimea turnului este egală cu diametrul
rotorului.

12
Un aspect important luat în considerare în procesul de proiectare al turnului îl
constituie frecven țele de rezonanță ale acestuia, care nu trebuie să se suprapună ca valoare cu
turația rotorului. Acest fenomen este cu atât mai probabil cu cât înălțimea turnului este mai
mare. De asemenea, turnul este supus la solicitări semnificative de încovoiere (figura 1.8) și
torsiune generate de amplasarea unei mase mari (nacela și rotorul cu palete ) la partea
superioară și de forțele pe care le exercită vântul asupra rotorului.
Variabilitatea acestor solicitări trebuie luată în considerare în procesul de proiectare
atunci când se calculează rezisten ța la oboseală. Turnul servește și ca incintă pent ru sistemele
de comandă și control, pentru cablurile electrice și pentru liftul și scările de acces ale
personalului de întreținere la nacelă.

Fig. 1.8  Depășirea limitei la încovoiere a turnului unei turbine eoliene din districtul
Lincoln (USA), în co ndiții de furtună[16]
Pentru o ori entare precisă pe direcția vântului a turbinelor cu ax orizontal , sistemele
active de orientare sunt comandate de un controler. În general se utilizează motoare pas -cu-
pas (elementul 14 din figura 14) sau motoare hidrau lice . Aceste sisteme contribuie de
asemenea la împiedicarea răsucirii cablurilor electrice care pornesc din nacelă, prin alternarea
direcției în care este rotită nacela, spre deosebire de sistemele pasive, cu auto -orientare, care
nu au capacitatea de a înregistra numărul și sensul rotirilor.

13
1.3 TIPURI DE TURBINE EOLIENE
În rândurile anterioare au fost prezentate deja principalele caracteristici constructive în
funcție de care sunt clasificate turbinele eoliene: orientarea axei de rota ție, amplasarea
rotorului în raport cu turnul de susținere și direcția vântului, posibilitatea reglării unghiului de
atac, tipul de generator electric utilizat. Paragraful curent va trece în revista aspecte legate de
conceptul principal care stă la baza clasifi cării turbinelor, respectiv orientarea axei rotorului.
Din acest punct de vedere, figura 1.9 prezintă cele mai răspândite concepte existente la ora
actuală.

Fig.1.9 Tipuri de turbine eoliene, după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu
ax orizo ntal; rândul inferior – cu ax vertical [3]
1.3.1 TURBINE CU AX VERTICAL
Construcția turbinelor din această categorie este mai simplă, având în vedere faptul că
atât transmisia cât și generatorul pot fi amplasate la nivelul solului. De asemenea majoritatea
variantelor constructive presupun amplasarea unui rulment de susținere a rotorului la nivelul
solului. A ceste caracteristici se reflectă într-o întreținere mai ușoară în comparație cu
turbinele cu ax orizontal. Un alt avantaj constă în faptul că nu este ne cesar un sistem de
orientare în vânt, întrucâ t funcționează indiferent de direcția acestuia, ceea ce le recomandă
utilizării în Zone cu variații frecvente ale direcției vântului.
Turbina Darrieus , inventată de inginerul francez Georges Darrieus în 1931, este
caracterizată de paletele de forma literei C, care au capetele prinse de ax la partea superioara
și inferioară a acestuia (figura 1.10 a). Ca variante ale acestui concept pot fi întâlnite turbine
cu rotor în H cu paletele dispuse vertical (turbinel e Gyromill), drepte (figura 1.10 b)) sau
elicoidale (cicloturbine ) (figura 1.10 c) . Versiunile constructive includ două, trei sau patru
palete, uniformitatea în funcționare crescând cu numărul acestora. Un avantaj propriu acestor

14
turbine constă în faptul că viteza periferică a paletelor este mai mare decât viteza vântului,
chiar comparativ cu turbinele cu ax orizontal, ceea ce le face adecvate aplicațiilor de generare
a energiei electrice.

Fig.1.10 Tipuri de turbine , după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu ax
orizontal; rândul inferior – cu ax vertical [3]
Turbin ele Darrieus prezintă însă și unele dezavantaje care le -au limitat aplicabilitatea
practică , cum ar fi :
– fluctuații le semnificative ale cuplului motor la fiecare rota ție, datorită faptului că
paletele din aval (opuse direcției din care bate vântu l ) vor fi influen țate de turbulențele create
de paletele aflate în amonte și de turnul de susținere. Prin urmare, asupra lor se exercită for țe
de torsiune cu un caracter asimetric și eratic, care sunt transmise și către turnul de susținere.
Mai mult decât atât, partea inferioară a paletelor funcțio nează într -o zonă mai turbulentă ,
specifică proximită ții terenului, ceea ce are ca efect o distribuție inegală a încărcării paletelor
pe lungimea lor. Însumate, toate aceste solicitări conduc la un fenomen accentu at de oboseală
a întregii structuri;
– coeficient de putere ceva mai mic decât cel al unei turbine similare cu ax orizontal;
– capacitate limitată de reglare a turației la viteze mari ale vântului, majoritatea
modelelor fiind prevăzute cu sisteme de frânar e prin fricțiune. Unele modele sunt prevăzute
însă cu frâne aerodinamice (voleți amplasa ți pe palete) cu declanșare automată atunci când
turația depă șește o anumită limită;
– capacitate redusă de auto -pornire. De obicei este necesară utilizarea unei surse
externe, cel mai adesea cu generatorul funcționând pe post de motor, până când rotorul
turbinei atinge turația la care forțele aerodinamice care acționează asupra paletelor pot
asigura funcționarea independentă a turbinei. O alternativă constructivă presup une montarea
pe același ax atât a paletelor Darrieus cât și a unei turbine Savonius (v. mai jos), cunoscută
pentru capacitatea de a intra în funcțiune la viteze scăzute ale vântului. Există însă și situații
în care aceste turbine pornesc singure, fapt care a condus în unele cazuri la autodistrugerea
sistemelor respective.
)a )b )c

15

Fig.1.11 Principiul constructiv al turbinelor Savonius [10]
Turbina Savonius a fost inventată de inginerul finlandez Sigurd Johannes Savonius în
1922.Versiunea clasică are o construcție foarte simplă care constă în două jumătăți de
cilindru dispuse în forma literei S, cu un spațiu de trecere a aerului între ele. În figura 1.11 a
se observă principiul constructiv al acestor turbine și principalele dimensiuni, între care
suprapunerea S dintre cei doi semicilindri și diametrul d al acest ora, precum și unghiul de
atac . Spre deosebire de celelalte tipuri, funcționarea turbinelor Savonius nu se bazează pe
forța portantă care se manifestă asupra unui profil aerodinamic, ci pe forța rezistentă generată
la deplasarea unui corp într -un curent de aer. Diferența de tracțiune dintre cei doi semicilindri
orientați d iferit față de direcția de deplasarea a aerului dă naștere unui cuplu motor, care însă
variază semnificativ cu unghiul de atac, existând o poziție în care sistemul se află în echilibru
(cuplu motor zero). De aceea, pentru a menține mișcarea de rota ție, est e necesară dispunerea
a minim două etaje (figura 1.12 a) sau “spiralarea” semicilindrilor (figura 1.12 b).

16

Fig. 1.12  (a) Turbina Savonius cu 3 etaje, fiecare cu cate 3 cupe
(b) Uniformizarea cuplului turbinei Savonius prin spiralarea cupelor [3]

Figura 1.12 prezintă o schemă de utilizare a turbinei TS1 cu puterea nominală de 1
kW la viteza nominală de 10 ms și cu plaja de funcționare între 3 și 25 m/s, pro dusă de
ICSITMUA Brașov.
Varianta din urmă are și avantajul unui cuplu motor uniform pe parcursul unei rota ții. Au o
eficiență scăzută, de doar 12 -15%, surclasată însă de simplitatea constructivă, de valoarea
ridicată a cuplului la pornire (pornesc singure ), de caracterul omnidirecțional al funcționării și
de faptul că se comportă bine în condiții de vânt turbulent. De a semenea, silențiozitatea,
rezilien ța și rezisten ța la viteze mari ale vântului constituie avantaje suplimentare.

17
Datorită curbei de putere similare cu cea a pompelor de apă, turbinele Savonius sunt
adecvate aplicațiilor de pompare a apei, dar pot fi utilizate și pentru producerea de energie
electrică.

Fig. 1.13  Utilizarea turbinei Savonius pentru pomparea apei (adaptare după [11])
1.3.2 TURBINE CU AX ORIZONTAL
Detalii le constructive și funcționale privind turbinele cu ax orizontal au fost deja
prezentate pe parcursul paragrafului 1.2. Rotorul, nacela cuprinzând transmisia și generatorul,
precum și sistemul de orientare a turbinelor cu ax orizontal după direcția vântului, sunt
amplasate la partea superioară a turnului de susținere (figura 1.4), ceea ce ridică gradul de
complexitate al constru cției și al procesului de mentenanță în raport cu turbinele cu ax
vertical. Dezvoltă un cuplu redus la pornire iar viteza nominală a vântului se încadrează de
obicei între 10 și 13 m/s. În ciuda acestor neajunsuri, datorită eficienței superioare modelelor
cu ax vertical, acestea sunt predominante pe piața producției de energie electrică utilizând

18
resurs a eoliană, atingând capacități individuale de peste 3 MW și diametre ale rotorului ce pot
depăși 100 m. Soluția cu ax orizontal este de asemenea preferată și pentru aplicații
reziden țiale de câțiva kilow ati. Indiferent de capacitatea nominală, din punct de vedere al
amplasării în raport cu direcția vântului predomină turbinele cu rotorul dispus în amonte
(figura 1.3 a).
Tabelul 1.3 prez intă în mod centralizat principalel e avantaje și dezavantaje ale celor două
tipuri de turbine.
Tabelul 1.3 — Avantajele și dezavantajele t urbinelor cu ax orizontal și vertical
Caracteristica Turbine cu ax orizontal Turbine cu ax vertical
Viteza vântului
la pornire Turbinele cu ax vertical pornesc în general la viteze mai mici ale vântului
decât turbinele tipice cu ax orizontal
Eficiența Întrucât paletele sunt antrenate de
vânt pe parcursul întregii rota ții au
eficien ță ridicată . Turnurile
susținere înalte plasează rotorul în
zonele cu turbulență redusă și
viteză mare a vântului. . În
anumite zone, pentru fiecare l0m
câștigați în înălțime viteza vântului
crește cu 20% iar eficiența turbinei
cu 34%. Paletele turbinelor cu ax vertical
valorifică energia vântului doar pe o
porțiune din traiectoria
corespunzătoare unei rotații , pe
cealaltă porțiune generând un cuplu
rezistent care se opune cuplului
motor util. Paletele sau porțiuni ale
lor sunt amplasate la înălțimi mici (
zone turbulente și cu viteze mici ale
vântului). Pentru sporirea eficienței
există proiecte prin care fluxul de
aer este canalizat in zona rotorului.
Amplasarea Trebuie amplasate în spații
deschise, în care nu există alte
structuri sau formațiuni înalte.
Sunt preferate zonele în care
direcția vântului și amplitudinea
vitezei acestuia sunt relativ
constante pe parcursul anului. Fiind amplasate la înălțimi reduse,
turbinele de mică putere pot
valorifica spațiile libere de pe
acoperi șuri, dealuri,pasaje și alte
locații care canalizează vântul
sporindu -i viteza. În caz contrar
trebuie amplasate în spa ții deschise,
în care nu există alte structuri sau
formațiuni înalte.

Elemente
tehnice Amplasarea rotorului în aval în
raport cu direcția vântului induce
solicitări la oboseală în palete
datorită turbulențelor și scăderii
bruște de presiune la trecerea prin
dreptul turnului de susținere .
Necesită mecan ism de orientare a
rotorului.
Nu necesită mecanism de orientare.
Generatorul și transmisia sunt
amplasate la nivelul solului.

Instalarea
În cazul turbinelor de mare putere
este necesară construirea/ ridicarea
unui tur masiv, urmată de ridicarea Amplasarea generatorului și a
transmisiei la nivelul solului
simplifică montajul și întreținerea

19
și montarea la partea superioară a
acestuia a rotorului cu palete și a
nacelei cuprinzând transmisia,
generatorul și mecanismul de
orientare.
turbinei.

1.4 PROBLEME SOCIALE ȘI DE MEDIU
Problemele sociale și de mediu sunt proprii parcurilor de turbine de mare capacitate
distribuite pe suprafe țe vaste, eventual aflate în apropierea zonelor populate sau protejate. În
scurta istorie a acestor parcuri au fost rapo rtate și analizate următoarele categorii de
probleme: impactul vizual, zgomotul, impactul ecologic local, utilizarea terenului, efectele
asupra semnalelor electromagnetice (semnale radio, TV, radar).

1.4.1 Impactul vi zual
Locul de amplasare al turbinelor eoliene și mărimea acestora reprezintă un factor
cheie în ceea ce privește acceptarea lor de către public în unele țări europene. În anii de
început al dezvoltării parcurilor eoliene au existat numeroase proteste ale comunităților locale
atunci când, în vecinătate, s -a încercat amplasarea de turbine eoliene. Acesta a fost unul
dintre motivele pentru care s -au căutat cu precădere locuri de amplasare izolate și/sau care să
nu afecteze vizual anumite peisaje naturale deosebite. De asemenea, sub același pretext s-a
început dezvoltarea de parcuri eoliene offshore (în largul coastelor), dove dindu -se ulterior că
în aceste z one există avantaje legate de uniformitatea, intensitatea și direc ția vântului.
Estetica acestor parcuri și impresia lăsată de rotoarele de mari dimensiuni în funcționare
constituie în prezent un punct de atrac ție turistică. Mai mult decât atât, datorită factorului
educativ cu privire la sursele regenerabile de energie propagat prin mijloacele media și
datorită semnalelor permanente ale oamenilor de știință pe aceea și temă, un număr redus de
turbine de vânt (de ex. până în 30) este perceput ca benefic de diversele comunitățile locale,
cu condiția ca acestea să nu se afle prea aproape de zonele rezidențiale.
Există câ țiva factori care influențează î n sens pozitiv acceptul publicului. Cel mai
important este proprietatea par țială sau chiar totală asupra sistemelor eoliene, cu efecte
precum costuri mai reduse și/sau livrarea preferen țială a energiei pe plan local. Un alt aspect
care trebuie luat în considerare constă în colaborarea reală dintre constructori și liderii
comunităților în faza de inițiere și planificare a parcului eolian.
1.4.2 Zgomo tul
În procesul de proiectare al paletelor turbinelor, nivelul zgomotului produs în timpul
funcționării este totdeauna luat în considerare, încercându -se minimizarea lui. De -a lungul
timpului au fost raportate efecte datorate zgomotului funcționării turbinelor, precum
amețeala, anxietatea, durerile de cap și întreruperi ale somnului. În acest scop, unele țări au
luat măsuri. De exemplu, în Ontario, Canada nivelul de zgomot produs la o distan ță de 30 m
de locuințe sau de spațiile de campare nu trebuie să depă șească 40 dB. Alte țări au stabilit
distanțe minime între turbine și zonele locuite, distan ța tipică fiind d e doi km.

20
S-a constatat ca zgomotul dominant, caracteristic funcționării turbinelor, este continuu
și are frecven țe de peste 100 Hz, datorându -se în principal interac țiunii paletelor cu
turbulențele atmosferice. În cazul turbinelor cu rotor în aval este ge nerat zgomot cu frecven țe
de 20 -100 Hz și impulsuri sonore, provocate la intrarea paletelor în zonele cu curgere
deficitară a curentului de aer în dreptul turnului de susținere. La toate acestea se adaugă
zgomotul de origine mecanică provocat de funcționar ea transmisiei, generatorului,
echipamentelor hidraulice și auxiliare etc. Printre tehnicile și metodele de reducere a
zgomotului cu frecvențe de peste 100 Hz se află reducerea vitezei la vârf a paletei, valori mai
mici ale unghiului de atac, amplasarea configurațiilor cu rotoare în amonte, implementarea
soluțiilor cu funcționare la turații variabile ale rotorului, forme speciale pentru bordul de fugă
(muchia din spatele paletei) și pentru vârful paletei. Zgomotul de natură mecanică poate fi
redus prin opti mizarea componentelor mecanice și a parametrilor de funcționare ai acestora,
utilizarea deflectoarelor și izolarea fonică a nacelei, utilizarea amortizoarelor de vibra ții [12].
1.4.3 Emisiile de gaze de seră

Întrucât nu există consum de combustibil pe parcursul funcționării turbinelor eoliene,
nu pot fi asociate emisii de gaze de seră procesului de producție a energiei electrice. Cu toate
acestea, amprenta de carbon poate fi asociată fabricației componentelor turbinelor și
construcției acestora, pe parcursul cărora sunt utilizate și transportate materiale precum
oțelul, cuprul, betonul, aluminiul, polimerii etc. Conform rapoartelor firmei Vestas, aceste
emisii de gaze de seră sunt compensate după aproximativ nouă luni de funcționare a unei
turbine de 2 MW în condiții de vânt cu intensitate scăzută, prin compara ție cu o centrală
standard pe bază de cărbune. Într-un studiu al Irish National Grid se raportează faptul că
reducerile de CO, sunt cuprinse între 330 și 590 t pentru fiecare GWh de energie prod usă de o
turbină eoliană.

1.4.4. Utilizarea terenului

Necesarul de teren pentru fiecare megawatt al capacității unei turbine este de 0,1 km”,
ceea ce înseamnă că un parc eolian de 1 GW poate ocupa o suprafa ță de 100 km”. Distanța
dintre două turbine alăt urate trebuie să fie suficient de mare pentru ca acestea să nu se
influențeze reciproc prin turbulențele pe care le creează. Raportând suprafa ța respe ctivă la
capacitate, rezultă că se pot obține 10 W pentru fiecare m2 de teren, în ipoteza în care vântul
bate permanent cu viteză constantă. Luând în considerare faptul că factorul de capacitate al
turbinelor moderne este de 20 -30%, capacitatea specifică se reduce la 2 -3 W/m2.
În zonele favorabile din punct de vedere al capacită ții eoliene puterea specifică t otală
a vântului este de aproximativ 500 W/m'. Deși la prima vedere terenul este impropriu utilizat
întrucât turbinele eoliene valorifică doar 0,4 -0,6% din această energie, trebuie luat în calcul și
faptul că mai puțin de 1% din suprafa ța ocupată de parcul eolian este scoasă efectiv din uz
prin construcția de fundații și drumuri de acces. Restul de 99% poate fi destinat altor activități
generatoare de venituri, în general activități agricole cum ar fi pășunatul și înființarea de
culturi.
De asemenea, propri etarii de terenuri pot beneficia de chirii stabilite în funcție de
numărul turbinelor și capacitatea acestora. De exemp lu, în Statele Unite chiria era de 3000 —
5000 $/an pentru fiecare turbină, iar densitatea medie este de o turbină de mare capacitate la
fiecare 17 ha.

21
Trebuie avut în vedere însă că turbinele pot interfera cu anumite lucrări agricole, cum
ar fi de exemplu tratamentele ef ectuate cu avioane și elicoptere utilitare, fiind stabilite
distanțe limită până la care acestora le este permis să se ap ropie de turbine.
1.4.3 Efecte asupra faunei
Încă de la apari ția turbinelor e oliene de mare capacitate s -a manifestat îngrijorare cu
privire la impactul pe care îl au asupra păsărilor. Cercetările au demonstrat faptul că rata de
mortalitate a păsărilor est e de aproximativ 0,4 pentru fiecare GWh de electricitate produsă,
valoarea fiind de fapt comparabilă cu cele raportate pentru orice altă structura artificială cu
dimensiuni similare. Cifra este neglijabilă în compara ție cu rata de mortalitate cauzată de
traficul auto, vânătoare,clădirile înalte și liniile de înaltă tensiune. Pe de altă parte s -a
constatat că păsările preferă să evite spațiile ocupate de parcurile eoliene, ceea ce a condus la
o scădere a popula ției acestora în zonele respective. Acest aspect a fost semnalat de diverse
organizații de profil, recomandându -se evitarea înființării de parcuri eoliene în proximitatea
ariilor importante pentru anumite specii cum ar fi: habitatele speciilor periclitate menționate
în International Union for Conservati on of Nature and Natural Resources Red List; traseele
speciilor migratoare; habitatele preferate de popula țiile de păsări; în apropierea elementelor
geografice care atrag speciile de răpitori. Alte recomandări men ționează evitarea amplasării
turbinelor în configura ții care ar putea favoriza creșterea ratei mortalită ții păsărilor, sau în
zone care ar conduce la fragmentarea unor habitate de mari dimensiuni populate de orice tip
de faună.
Ca urmare a acestor recomandări și a susținerii lor de către societățil e de profil și de
ONG -uri, au fost luate măsuri specifice inclusiv pentru parcurile eoliene existente la data
elaborării regulilor mai sus menționate. De exemplu, parcul eolian Penascal Wind Power din
Texas, amplasat pe trase ul păsărilor migratoare, a imp lementat un sistem radar care are
capacitatea de a detecta păsările de la o distanță de 6 km și care poate determina dacă există
posibilitatea ca păsările să intre în zona de acțiune a palelor. În această eventualitate sistemul
oprește automat turbinele și le repornește după ce condițiile de siguran ță pentru păsări se
restabilesc. Turbinele eoliene prezintă însă un pericol deosebit pentru speciile de lilieci. În
cadrul unui studiu efectuat în 2004 în Statele Unite, numărul liliecilor uciși de cele 63 de
turbine ale unui parc eolian într -o perioadă de șase săptămâni a fost de 2200. S -a recomandat
ca turbinele eoliene să fie dotate cu emi țătoare de microunde, care creează zone ce sunt
evitate de lilieci ca urmare a faptului că undele emise interferează cu sist emul lor de
orientare.

22

Cap 2.
Dinamica fluidelor (CFD)

Analiza computerizată a curgerii fluidelor (CFD — Computational Fluid Dynamics)
reprezintă o ramură a mecanicii fluidelor, care face apel la algoritmi și metode numerice cu
ajutorul cărora rezolvă și analizează probleme de curgere a fluidelor, de transfer de căldură
precum și alte procese fizice legate de cele anterior menționate. Sistemele de calcul sunt
utilizate pentru a efectua milioanele de calcule necesare simulării interac țiunii lichidelor și
gazelor cu suprafețele complexe utilizate în inginerie. Fenomenele sunt atât de complexe
încât, chiar și cu cele mai puternice supercomputere și cu ecuații simplificat, de cele mai
multe ori nu se pot obține decât soluții aproximative. Există însă cercetări per manente asupra
unor produse soft ware care să îmbunătățească acuratețea rezultatelor și viteza de procesare a
scenariilor de curgere complexe, cum ar fi curgerile transonice și cele turbulente. Validarea
performanțelor acestor programe se face de obicei prin comparație cu t este efectuate în
tunelul de vân t.
La baza rezolvării oricărei probleme CFD stau ecuațiile Navier -Stokes , cu ajutorul
cărora se poate defini curgerea unui fluid aflat fie în fază lichidă fie gazoasă. Prin
îndepărtarea termenilor care d escriu vâ scozitatea, ecuațiile Navier-Stokes se simplifică,
obținându -se ecuațiile lui Euler. Mergând mai departe , se pot elimina termenii ce descriu
turbulențele, obținându -se ecuațiile de transfer de energie care într -o ultimă etapă de
simplif icare, pot fi liniarizate.

2.1 Domenii de utilizare

Analiza CFD are aplicabilitate în numeroase domenii industriale și de cercetare. Cele
mat des întâlnite sunt:
Industria alimentară: vase de amestecare, bioreactoare ;
Mediu: dispersia poluanților în apă și în aer ;
Industria construct oare de mașini: modelarea procesului de combustie, aerodinamica
automobilelor ;
Aeronautică: optimizarea profilurilor aerodinamice ;
Construcții: ventilarea clădirilor. determinarea amplasării optime a aparatelor de aer
condiționat ;
Protecție: investigarea efectelor focului și fumului ;
Elect ronică: transferul de căldură în și în jurul componentelor electronice și a circuitelor ;
Energetică : optimizarea proceselor de ardere ;
Medicină: curgerea sângelui prin grefele efectuate pe vasele de sânge ;
Ca și în cazul problemelor FEA, metodologia de abordare a problemelor CFD presupune
parcurgerea următorilor pa și:

23
2.2 Preprocesarea
Este definit domeni ul geometric în care se studiază fenomenele de curgere. Acesta
poate ti de exemplu porțiunea dintr -o țeavă pe care este amplasat un robinet un volum de ae r
în care se află amplasată e aripa de av ion (pt. studiul curgerii peste ace astă aripă )etc. Spațiul
ocup at de fluid este disc retizat (divizat) în volu me finite numite volume de control ,
obținându -se se o rețea (mesh) de celule interconectate. Re țeaua poate fi uniformă sau nu. Cu
cât rețeaua este mai fină cu atâ t rezultatele ob ținute pot fi mai aprop iate de realitate. Această
preciz ie este cont racarată însă de reducerea semnificativă a vitezei de calcul.
Următ orul pas co nstă în precizarea condi țiilor ini țiale, cum ar fi viteza fluidului la
intrarea în domen iul studiat, presiunea lui la i eșirea din acest domeniu, temperatura fluidului
etc. Este de asemenea importantă precizarea comportării fluidului la “gr anițele” domeniului.
De exemplu, în figura 1a se observă specificarea zonei de intrare și a celei de ieșire a
curentului de aer din domeniul studiat. Direcția curgerii e ste simbolizată de program cu
săgeți.
În final , se alege modelul matematic care va fi utilizat. Aces ta va depinde de tipul curgerii, de
acuratețea dorită și evident, de puterea de calcul disponibilă.

2.3 Simularea (rezolvarea problemei)

Modulul de rezolvare discretizează ecuațiile și le rezolvă iterativ pentru fiecare volum
de control în parte. În acest fel, necunoscutele (de exemplu, presiunea) primesc câte o valoare
aproximativă în fiecare vo lum finit. Se obține astfel o imagine de ansam blu a caracterului
curgerii pe î ntreg domeniul studiat.
Modulul de rezolvare (solver ) generează un f ișier cu rezultate, pe care îl transferă
postprocesorului.

2.4 Postprocesarea

Postprocesorul este utilizat pentru a analiza, vizualiza și prezenta interactiv
rezultatele. Sunt incluse instrumente dintre cele mai variate, de la prezentarea valori numeric e
ale mărimilor calculate, până la anima ții complexe ale fenomenului de curgere. Printre cele
mai des întâlnite facilită ți oferite se regăsesc:
Vizualizarea domeniului geometric și a volumelor finite ;
Vizualizarea varia ției mărimilor scalare (mărimi care nu au direcție ci numai valoare, cum ar
fi temperatura și presiunea) ( figura 1 c);
Grafice vectoriale care prezintă direcția și magnitudinea curgerii ( figura 1 d);
Calcule numerice cantitative;
Animații;
Grafice ale mărimilor calculate;
Rapoarte complete, cu concluzii, pregătite pentru tipărire.

LIPSESTE 2.5

24
2.6 Metode de discretizare

2.6.1 Metoda discretizării în volume finite (FVM Finite Volume Method)

Discutată până acum, reprezintă abordarea clasică p entru cele mai multe programe
CFD. So luția obținută pe a ceastă cale este de natură conservativă dar nu există nicio garanție
că ea corespunde pe deplin realită ții. Mai mult decât atât metoda este foarte sensibilă la
volumele de co ntrol cu forme înalt neregulate, distorsionate. Atunci când astf el de elemente
se află în zone critice ale curgerii, procesul iterativ de calcul poate deveni instabil, devenind
imposibilă convergența către o soluție.

2.6.2 Metoda clementului finit (FEM — Finite Element Method)

Populară în analiza structurală, poate fi apl icată și în domeniul CFD. Metoda trebuie
însă
aplicată cu mare atenție pentru a asigura ob ținerea unei soluții conservative. Cu toate acestea,
ea
prezint ă o stabilitate a calculului mult mai ridicată decât metoda volumelor de control ,
reprezentând noua di recție către care se î ndreaptă dezvoltatorii de software CFD,

2.6.3 Metoda diferențelor finite

Este foarte simplu de implementat. Pentru moment, există pu ține produse software
care o
utilizează. Codurile de program moderne bazate pe această metodă pot fi aplicate pe modele
geometrice complexe, oferind acurate țe și eficiență.

25
2.7 Modele matematice utilizate

2.7.1 Simularea numerica directa(DNS – Direct Numerical Simulation)

Este capabilă să capteze toate mișcă rile turbu lente relevante,indiferent de mă rimea lor.
Acest mod de abordare este extrem de costisitor din punct de vedere al resurselor de calcul.
Pentru problemele comp lexe, este impracticabil chiar ș i pe calculatoarele moderne ale zilelor
noastre. Din acest motiv, s -au căutat per manent modele mai simple care să poată modela ș i
detalii la scară mică ale miș cării fluidului.

2.7.2 RANS (Reynolds -averaged Navier -Stokes)

Reprezintă cea mai veche abordare î n modelarea curgerii turbulente. Acest model
matematic rezolvă un set modificat de ecuaț ii Navier -Stokes, prin introducerea a două mă rimi
una constantă , reprezentând o valoare med ie și una variabilă . De exemplu,viteza v a fluidului
este variabilă în timp. Modelul RANS poa te consi dera că această viteză este formată di ntr-o
valoare medie constantă vmed și o componentă variabilă în timp vvar:
v=v med+ v var
Ecuațiile RANS calculează valorile medii ale parametrilor curgerii, modelând în
acelaș i timp ș i efectele turbulențelor fă ră a rezolva efectiv fluctuaț iile turbulente. A cest model
matematic simulează curgerea turbulentă la orice scară de mă rime.
Comparat cu DNS, modelul RANS reduce î n foarte mare măsură timpul de calcul, din
acest motiv fiind adoptat pe scara largă în practica inginerească. Totuș i, procesul de mediere
menț ionat mai sus intr oduce necunoscute suplimentare în sistemul de ecuaț ii, reprezentâ nd
produse ale componentelor fluctuante ale mă rimilor. Aceste necunoscute sunt interpretate ca
fiind eforturi unitare adiționale î n fluidul analizat , fiind numite și eforturi (turbulențe)
Reynolds. Prin urmare pentru ca sistemul să poată fi rezolvat, pentru fiecare necunoscută
suplimentară se ad augă câte o nouă ecuaț ie. Se spune ca astfel sistemul"se
închide"." Închiderea" presupune că există un număr suficient de ecuaț ii pentru toate
necunoscutele, inclusiv tensorul rezultat din procedura de mediere. Ecuațiile utilizate pentru a
închide sistemul definesc tipul modelului matematic pentru curgerea turbulentă . Din acest
punct de vedere , modelele RANS pot fi grupate în două mari categorii:
Ipoteza Boussinesq: metoda implică utilizarea unei ecuaț ii algebrice pentru eforturile
unitare Reynolds , care include de terminarea vâscozității turbulente și, î n funcț ie de gradul de
complexitate a m odelului, rezolvarea ecuațiilor de transfer pentru determinarea energiei
cinetice turbulente și a disipării. Sunt larg utilizate modelele k -, Prandtl ș i Chen.

RMS (Rey nolds Stress Model) : modelul î ncearcă să rezolve ecuațiile de transfer pentru
eforturile

26
Unitare Reynolds. Aceasta presupune int roducerea unui set de ecua ții de transfer pentru
eforturile Reyno ds. Creșterea în dimen siuni a sistemului de ecuații se traduce însă în timp de
calcul suplimentar și/sau necesar sporit de resurse ale calculatorului.

2.7.3 Modelu l LES (L arge Eddy Simulation)

În curgerile turbulente își fac apariția turbioane de diverse mărimi, de la cele foarte
mici la cele de mari dimensiuni. De asemenea, perioadele lor de existen ță sunt variabile, LES
constă într -o tehnică prin care vortexurile de mici dimensiuni sunt filtrate și sunt modelate la
o scară de mărime mai mică decât dimens iunea rețelei de volume finite. În schimb,
vortexurile mari care, din punct de vedere energetic, transportă o cantitate importantă de
energie, sunt rez olvate fără a se apela la aproximări. Această abordare necesită rețele foarte
fine (deși nu atât de fine ca în cazul modelului DNS) și un număr mare de pași de timp , ceea
ce conduce la timpi de calcul considerabili. Cu toate acestea, metoda oferă detalii a le curgerii
turbulente (de exemplu, fluctua țiile de presiune) care nu pot fi obținute cu ajutorul metodelor
RANS.
Pentru Re>5000, în următoarele cazuri se poate apela la metoda LES de rezolvare
(pentru
Re<5000 se poate utiliza DNS).
Exist ă probabilitatea m anifestării unei scu rgeri instabile, cu fluctua ții pe scară mare a
unor substraturi de fluid sau oscilaț ia vortexurilo r ( figura 4.1 ).
În modelul geom etric și în curgere există simetrii, dar pot apărea bifurcații care
întrerup simetria. Apare astfel fenome nul de portan ță în interiorul fl uidului (forțe
ascensionale), cu zone mari de instabilitate create de o sursă de că ldură aflată la baza
fluidului, sau de un fluid mai ușor aflat sub un fluid mai dens (de exemplu, curgerea
simultană a mai multor faze fluide în conducte
înclinate).
Abordarea clasi că RANS nu converge (de exemplu, datorită turbulen țelor cu un caracter înalt
anizotropic ).
Este necesară o reprezentare bună a structurilo r turbulente în cazul unor “ mini procese ” de
curgere (de exemplu. micro-amestecarea, reacții chimice).
Trebuie calculat nivelul de zgomot generat de curgere.
Sunt necesare informa ții despre anumite mărimi fluctuant e, cum ar fi: for țe fluctuante, raf ale
de
vânt etc .

27

Fig. 2.1

Nu se recomandă utilizarea metod ei LES pentru studiul curgerii î n zona de contact a
fluidului cu pereț ii solizi care -l mărginesc, datorită necesității generării unei rețele foarte fine
de volume de control în aceste zone, cee a ce conduce la perioade de calcul excesiv de lungi.

2.7.3 Modelul DES (DetachedEddySimulation)
Este util în special pent ru analizele care implică apariția unor zone de separare
semnificative. DES tace apel la formularea RANS atunci când se analizează stratul limită de
separa ție din zona de contact fluid -solid, sau în regiunile în care scara de lungime a
turbulențelor este mai mică decât dimensiunea maximă a volumelor finite. Dacă scara de
lungime a turbulen țelor depășește această dimensiune, se apelează la modelul LES. Acesta
este și motivul pentru care grad ul de finețe al rețelei poate fi, la nivelul global al domeniului
geometric studiat, mai grosier decât în cazul LES, ceea ce se răsfrânge în final într -o reducere
cu câteva ordine de mărime a timpului de calcul. Comparat însă cu modelul RANS, DES
prezintă timpi de rezolvare cu cel puțin un ordin de mărime mai mare. Un inconveni ent
important consta și în faptul c ă generarea rețelei de volume finite este mult mai dificil de
realizat decât în cazurile RANS și LES.
Sunt enum erate în continuare câteva exemp le tipice de pro bleme în care se utilizează DES.
Curgerea în jurul unor obstacole care nu au formă ae rodinamică (clădiri, poduri etc.);
Curgerea în jurul unor vehicule de transport terestru, care generează zone masive de separare
(camioane. trenuri etc.);
Generarea de zgomot la curgerea în jurul unor obstacole (de exemplu, trecerea aerului peste
oglinda unui automobil care se deplasează cu viteză ridicată) ;
Analiza zonelor de separare din jurul unei aripi care se deplasează la un unghi mare de
inciden ță.

28
Atunci când stratul fin de fluid, atașat de suprafaț a solidă peste care curge, se
desprinde de aceasta, se spune că a apă rut fenomenul de separare. Separarea este provocat ă
de vâ scozitatea
fluidului. Pr obabilitatea ca acest fenomen să apară creste cu creș terea valorii num ărului Re.
O simulare animată a sepa rării poate fi vizualizată la adresa:
http:/www.icfd .co.jp/gallery/preview/naca0012_2d.g if

2.7.5 Modelul SAS (Scale -Adaptive Simulation)
Furniz ează rezultate similare modelulu i LES în zonele instabile ale curgerii. În același
timp, sunt disponibile facilită țile metodei RANS în zonele de curgere stabilă. În principiu,
DES și SAS oferă funcționalitate similară, cu deosebire a că acesta din urmă este mai pu țin
sensibil la gradul de fine țe a rețelei de volume f inite, cee a ce se transpune în general printr -o
acurate țe sporită a rezultatelor.

Fig. 2.2 Simulare SAS [10]

29
2.7.6 Modelul SST (Shear Stress Transport)

Modelul este s uperior altor abordări matematice, în “prezicerea” fenomenului de
separare în cazul curgerilor turbulente. În general, celelalte modele generează fenomenul de
separare cu o oarecare întârziere și, mai mult decât atât, continuă prin a subevalua amploarea
separării. Pentru anumite simulări, cum a r îl portanța aripilor de avion, acest compo rtament al
algoritmului matematic este problematic, întrucât conduce la rezultate prea “optimiste” față
de cele reale. Modelul SST a fost conceput pen tru a oferi un grad de acurate țe superio r
privind momentul apariției separării.
Figura 3 prezintă, sub for mă de izosupraf ețe , modul în care curgerea nestaționară este
produsă de modelele SST și SAS, în cazul curgerii unui flu id peste un cilindru ( Re =
3,6×106).
Se observă că modelul SST generează doar turbulențele la scară largă.

Fig. 2.3 Simulare SST [10]