Uno studente di ingegneria di Penn State ha perfezionato un problema di matematica secolare in una forma più semplice ed elegante, rendendo più facile l’uso ed esplorare. Il lavoro di Divya Tyagi espande la ricerca in aerodinamica, sbloccando nuove possibilità nel design delle turbine eoliche che Hermann Glauert, aerodinamicista britannica e autore originale, non ha preso in considerazione.
Tyagi, uno studente laureato che persegue il suo master in ingegneria aerospaziale, ha completato questo lavoro come studente universitario di Penn State per la sua tesi del Schreyer Honors College. La sua ricerca è stata pubblicata in Scienza dell’energia eolica.
“Ho creato un addendum al problema di Glauert che determina le prestazioni aerodinamiche ottimali di una turbina eolica risolvendo le condizioni di flusso ideale per una turbina al fine di massimizzare la sua potenza”, ha affermato Tyagi, che ha conseguito la laurea in ingegneria aerospaziale.
Il suo consigliere, Sven Schmitz, professore di Boeing/AD Welver nel Dipartimento di ingegneria aerospaziale e coautore sul documento, ha affermato che il lavoro originale di Glauert si è concentrato esclusivamente sul coefficiente di potenza massimo raggiungibile, che misura efficiente una turbina converti l’energia eolica nell’elettricità. Tuttavia, Glauert non ha tenuto conto della forza totale e dei coefficienti del momento che agiscono sul rotore – l’unità rotante con lame attaccate – o come le lame di turbina si piegano sotto la pressione del vento.
“Se hai le braccia sparse e qualcuno preme sul tuo palmo, devi resistere a quel movimento”, ha detto Schmitz, membro della facoltà dell’Institute of Energy and the Environment. “Chiamiamo che la forza di spinta sottovento e il momento di piegatura delle radici, e anche le turbine eoliche devono resistere a questo. Devi capire quanto è grande il carico totale, cosa che Glauert non ha fatto.”
Schmitz ha affermato che la semplicità dell’addendum di Tyagi basato sul calcolo delle variazioni, un metodo matematico utilizzato per problemi di ottimizzazione vincolati, consentirà alle persone di esplorare nuovi sfaccettature della progettazione di turbine eoliche.
“Il vero impatto sarà sulla prossima generazione di turbine eoliche usando le nuove conoscenze che sono state svelate”, ha detto Schmitz. “Per quanto riguarda l’elegante soluzione di Divya, penso che troverà la sua strada nelle aule, in tutto il paese e in tutto il mondo.”
Tyagi ha detto che vede il suo lavoro come un passo per migliorare la produzione di energia eolica e ridurre i costi.
“Migliorare il coefficiente di potenza di una grande turbina eolica di appena l’1% ha impatti significativi sulla produzione di energia di una turbina e ciò si traduce verso gli altri coefficienti per cui abbiamo derivato le relazioni”, ha affermato. “Un miglioramento dell’1% del coefficiente di potenza potrebbe in particolare aumentare la produzione di energia di una turbina, potenzialmente alimentando un intero quartiere.”
Durante il suo ultimo anno, Tyagi ha vinto il premio Anthony E. Wolk per la sua tesi sull’Addendum al lavoro di Glauert. Il premio Wolk viene assegnato a un senior in ingegneria aerospaziale che ha sviluppato la migliore tesi tra gli studenti di ingegneria aerospaziale.
Ora perseguendo il suo master, Tyagi sta studiando simulazioni di fluidodinamica computazionale, analizzando il flusso d’aria attorno a un rotore di elicottero.
“L’obiettivo è integrarlo con il flusso complesso attorno a una nave per vedere come la nave AirWake interagisce con un elicottero che cerca di atterrare sul suo mazzo”, ha detto.
La sua ricerca sostenuta dalla Marina statunitense mira a migliorare la simulazione del volo e la sicurezza pilota comprendendo meglio queste interazioni dinamiche.
Riflettendo sulla sua ricerca universitaria, Tyagi ha affermato che dimostrare la sua soluzione sulla carta è stata impegnativa.
“Trascorrerei circa 10-15 ore alla settimana tra il problema, scrivendo la tesi e la ricerca. Ci è voluto molto tempo perché era così intenso in matematica”, ha detto. “Ma ora mi sento davvero orgoglioso, vedendo tutto il lavoro che ho svolto.”
Schmitz, che ha contemplato il problema di Glauert per decenni, ha accreditato la persistenza di Tyagi nell’affrontare.
“Quando ho pensato al problema di Glauert, ho pensato che mancassero passi ed è stato molto complicato”, ha detto Schmitz. “Doveva esserci un modo più semplice per farlo. Fu allora che entrò Divya. Era la quarta studentessa che ho sfidato a guardarlo, ed era l’unica che lo ha assunto. Il suo lavoro è davvero impressionante.”
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