Optimal energy harvesting from vortex-induced and transverse galloping vibrations

Resumo

La creciente conciencia sobre los efectos negativos de los combustibles fósiles en el medio ambiente se ha convertido en el principal motor de desarrollo de tecnologías asociadas a la generación de energías renovables en los últimos años. Así mismo, dichas fuentes se han adecuado paulatinamente al concepto de generación distribuida, en el que la generación y almacenamiento de dicha energía se ubica cerca del destinatario final con capacidades de baja potencia (usualmente 10 MW o menos), lo que permite utilizar diferentes fuentes que conduzcan a un menor impacto ambiental. Algunas de las principales fuentes renovables que se usan típicamente incluyen la biomasa, biogás, energía solar, energía geotérmica y energía a partir de corrientes geofísicas. Estas corrientes constituyen un inmenso reservorio natural de energía que se encuentra presente en todo el planeta, pudiendo aparecer como corrientes de viento, ríos, corrientes en el océano o de marea entre otros. La mayoría de los conceptos que operan hoy en día y que usan las corrientes geofísicas para extraer energía, se basan en turbinas de eje horizontal. Sin embargo, los aerogeneradores o turbinas de agua convencionales no pueden proporcionar una conversión de energía eficiente para aplicaciones de baja potencia. Esta limitación ha fomentado la búsqueda de nuevas tecnologías que puedan extraer energía de corrientes con grandes diferencias en sus características (densidad, velocidad media, intensidad de turbulencia, etc.) de manera eficiente. Las vibraciones inducidas por flujo (FIV por sus siglas en inglés) surgen como un método prometedor para extraer energía de dichas corrientes geofísicos eficientemente. Los fenómenos de acoplamiento entre las estructuras elásticas y las corrientes circundantes pueden conducir a oscilaciones autosostenidas del cuerpo, que a su vez y de manera apropiada, se pueden transformar en energía eléctrica mediante el empleo de un transductor. Recientemente se ha considerado la posibilidad de utilizar diversos fenómenos de interacción fluido-sólida para extraer energía a partir de corrientes geofísicas, incluyendo entre otros fenómenos las vibraciones inducidas por vórtices (VIV por sus siglas en inglés), galope transversal o torsional, flameo o vibraciones inducidas por la estela. En la presente tesis se analizan las oscilaciones a partir de VIV y galope transversal para la búsqueda de configuraciones óptimas con el objetivo de maximizar la producción de energía. En primer lugar, se explora el fenómeno de VIV de un cilindro circular. VIV es un tipo de resonancia dentro de los FIV, donde los vórtices de gran escala se desprenden periódicamente de la superficie del cuerpo que conduce a la aparición de una fuerza fluida alterna sobre el cuerpo. Como tal, las oscilaciones sólo ocurren para un rango dado de velocidades incidente de la corriente, en donde la frecuencia de emisión de vórtices coincide con la frecuencia natural de oscilación del cuerpo. En particular, se busca evidenciar si mediante una rotación activa del cilindro circular a lo largo de su eje, proporcional a la dinámica de dicho cilindro (es decir, proporcional a su desplazamiento transversal o a su velocidad transversal) es posible aumentar tanto la amplitud máxima de oscilación del cilindro, así como el rango de velocidades incidente de la corriente donde ocurre dicha resonancia, con el objeto de mejorar al máximo posible la extracción de energía. Además, como resultado secundario, se evalúa la posibilidad de reducir las oscilaciones para proteger posibles estructuras que no estén destinadas a oscilar. El efecto de la rotación del cilindro circular sometido a oscilaciones de FIV se investiga tanto numéricamente para el régimen de bajo número de Reynolds (mediante un esquema de Lattice Boltzmann Method), como experimentalmente en el canal de agua de recirculación de superficie libre "Antonio Barrero Ripoll" para el rango medio del número de Reynolds. Adicionalmente, se ha utilizado la técnica de Velocimetría de Imagen de Partículas (PIV) para visualizar las estructuras principales de la estela que aparecen tras el cilindro y determinar cualitativamente el efecto que tiene dicha rotación sobre los vórtices que aparecen.\\ En segundo lugar, se examina la generación de energía a partir del galope transversal. El galope transversal es una inestabilidad autoinducida, en la que un pequeño desplazamiento del cuerpo inmerso en un flujo transversal conduce a un movimiento oscilatorio con amplitud creciente, una vez superada una velocidad crítica. A diferencia de VIV, el galope transversal no es un tipo de resonancia dentro de los FIV, por lo tanto, una vez que aparece el galope transversal, la amplitud continúa aumentando con la velocidad incidente. En general, se ha demostrado que el galope transversal se puede describir correctamente a través de una descripción cuasi-estática no lineal de las fuerzas fluidas, como resultado de la disparidad entre la escala del tiempo característico de oscilación del cuerpo y la escala de tiempo de residencia fluida. Esto permite tratar analíticamente el problema. En la presente tesis se estudia un tratamiento analítico integral del problema de extracción de energía a partir del fenómeno de galope transversal. En un primer momento, se han considerado dos tipos de transductores (electromagnéticos / piezoeléctricos) para la obtención de configuraciones óptimas que maximicen la extracción energética. También se analiza un sistema de doble masa. Una masa secundaria (fuera del flujo) se monta elásticamente en el prisma galopante para determinar si se puede mejorar la eficiencia. Finalmente, se considera la posibilidad de girar el cuerpo galopante con el objeto de aumentar la extracción de energía analizándose a través de un modelo cuasi-estático y comparándolo con simulaciones numéricas a Reynolds 100.