Fluxo induzido por drones de asas rotativas – comparação de simulações com medições de lidar

Anemômetros ultrassônicos montados em drones de asas rotativas têm o potencial de fornecer uma alternativa econômica ao clássico equivalente montado em mastros meteorológicos para pesquisa na camada limite atmosférica. No entanto, o fluxo induzido pela hélice pode degradar a precisão das medições da velocidade do vento em estado livre realizadas por sensores de vento montados em drones – um fato que precisa ser investigado para otimizar a colocação dos sensores. Simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) são uma alternativa a experimentos para estudar as características do fluxo induzido pela hélice, mas requerem validação. Portanto, realizamos um experimento utilizando três lidars Doppler de onda contínua de curto alcance (detecção e medição de luz; DTU WindScanners) para medir o complexo e turbulento campo de vento tridimensional ao redor de um drone em repouso em baixas velocidades do vento ambiente. Um bom acordo é encontrado entre os resultados experimentais e aqueles obtidos usando simulações CFD em condições semelhantes. Ambos os métodos concluem que a zona de perturbação (definida como uma desvio relativo da média da velocidade do vento em estado livre superior a 1 %) em um plano horizontal localizado a 1 D (diâmetro do rotor D de 0,71 m) abaixo do drone se estende cerca de 2,8 D a montante do centro do drone para a velocidade do vento horizontal e mais de 7 D para a velocidade do vento vertical. Ao comparar as velocidades do vento ao longo de linhas horizontais na direção a montante, encontramos que a diferença de velocidade entre os dois métodos é ≤ 0,1 m s−1 (menos de 4 % de diferença em relação à velocidade do vento em estado livre) na maioria dos casos. Os resultados tanto do plano quanto da varredura em linha validam a confiabilidade das simulações. Além disso, simulações de padrões de fluxo em um plano vertical à velocidade ambiente de 1,3 m s−1 indicam que é difícil medir com precisão o componente vertical do vento com menos de 1 % de distorção usando anemômetros sônicos montados em drones.