Interactions between roughness and topography in hydraulic models

Analysis of river flow using hydraulic modelling and its implications in derived environ-mental applications are inextricably connected with the way in which the river boundary shape is represented. This relationship is scale-dependent upon the modelling resolution which in turn determines the importance of a subscale performance of the model and the way subscale (surface and flow) processes are parameterised. Commonly, the subscale behaviour of the model relies upon a roughness parameterisation whose meaning depends on the dimensionality of the hydraulic model and the resolution of the topographic represen¬tation scale. This latter is, in turn, dependent on the resolution of the computational mesh as well as on the detail of measured topographic data. Flow results are affected by this interactions between scale and subscale parameterisation according to the dimensionality approach. The aim of this dissertation is the evaluation of these interactions upon hy¬draulic modelling results. Current high resolution topographic source availability induce this research which is tackled using a suitable roughness approach according to each di¬mensionality with the purpose of the interaction assessment. A 1D HEC-RAS model, a 2D raster-based diffusion-wave model with a scale-dependent distributed roughness parame-terisation and a 3D finite volume scheme with a porosity algorithm approach to incorporate complex topography have been used. Different topographic sources are assessed using a 1D scheme. LiDAR data are used to isolate the mesh resolution from the topographic content of the DEM effects upon 2D and 3D flow results. A distributed roughness parameterisation, using a roughness height approach dependent upon both mesh resolution and topographic content is developed and evaluated for the 2D scheme. Grain-size data and fractal methods are used for the reconstruction of topography with microscale information, required for some applications but not easily available. Sensitivity of hydraulic parameters to this topographic parameterisation is evaluated in a 3D scheme at different mesh resolu¬tions. Finally, the structural variability of simulated flow is analysed and related to scale interactions. Model simulations demonstrate (i) the importance of the topographic source in a 1D models; (ii) the mesh resolution approach is dominant in 2D and 3D simulations whereas in a 1D model the topographic source and even the roughness parameterisation impacts are more critical; (iii) the increment of the sensitivity to roughness parameterisa-tion in 1D and 2D schemes with detailed topographic sources and finer mesh resolutions; and (iv) the topographic content and microtopography impact throughout the vertical profile of computed 3D velocity in a depth-dependent way, whereas 2D results are not affected by topographic content variations. Finally, the spatial analysis shows that the mesh resolution controls high resolution model scale results, roughness parameterisation control 2D simulation results for a constant mesh resolution; and topographic content and micro-topography variations impacts upon the organisation of flow results depth-dependently in a 3D scheme. Resumen La topografía juega un papel fundamental en la distribución del agua y la energía en los paisajes naturales (Beven and Kirkby 1979; Wood et al. 1997). La simulación hidráulica combinada con métodos de medición del terreno por teledetección constituyen una poderosa herramienta de investigación en la comprensión del comportamiento de los flujos de agua debido a la variabilidad de la superficie sobre la que fluye. La representación e incorporación de la topografía en el esquema hidráulico tiene una importancia crucial en los resultados y determinan el desarrollo de sus aplicaciones al campo medioambiental. Cualquier simulación es una simplificación de un proceso del mundo real, y por tanto el grado de simplificación determinará el significado de los resultados simulados. Este razonamiento es particularmente difícil de trasladar a la simulación hidráulica donde aspectos de la escala tan diferentes como la escala de los procesos de flujo y de representación del contorno son considerados conjuntamente incluso en fases de parametrización (e.g. parametrización de la rugosidad). Por una parte, esto es debido a que las decisiones de escala vienen condicionadas entre ellas (e.g. la dimensionalidad del modelo condiciona la escala de representación del contorno) y por tanto interaccionan en sus resultados estrechamente. Y por otra parte, debido a los altos requerimientos numéricos y computacionales de una representación explícita de alta resolución de los procesos de flujo y discretización de la malla. Además, previo a la modelización hidráulica, la superficie del terreno sobre la que el agua fluye debe ser modelizada y por tanto presenta su propia escala de representación, que a su vez dependerá de la escala de los datos topográficos medidos con que se elabora el modelo. En última instancia, esta topografía es la que determina el comportamiento espacial del flujo. Por tanto, la escala de la topografía en sus fases de medición y modelización (resolución de los datos y representación topográfica) previas a su incorporación en el modelo hidráulico producirá a su vez un impacto que se acumulará al impacto global resultante debido a la escala computacional del modelo hidráulico y su dimensión. La comprensión de las interacciones entre las complejas geometrías del contorno y la estructura del flujo utilizando la modelización hidráulica depende de las escalas consideradas en la simplificación de los procesos hidráulicos y del terreno (dimensión del modelo, tamaño de escala computacional y escala de los datos topográficos). La naturaleza de la aplicación del modelo hidráulico (e.g. habitat físico, análisis de riesgo de inundaciones, transporte de sedimentos) determina en primer lugar la escala del estudio y por tanto el detalle de los procesos a simular en el modelo (i.e. la dimensionalidad) y, en consecuencia, la escala computacional a la que se realizarán los cálculos (i.e. resolución computacional). Esta última a su vez determina, el detalle geográfico con que deberá representarse el contorno acorde con la resolución de la malla computacional. La parametrización persigue incorporar en el modelo hidráulico la cuantificación de los procesos y condiciones físicas del sistema natural y por tanto debe incluir no solo aquellos procesos que tienen lugar a la escala de modelización, sino también aquellos que tienen lugar a un nivel subescalar y que deben ser definidos mediante relaciones de escalado con las variables modeladas explícitamente. Dicha parametrización se implementa en la práctica mediante la provisión de datos al modelo, por tanto la escala de los datos geográficos utilizados para parametrizar el modelo no sólo influirá en los resultados, sino también determinará la importancia del comportamiento subescalar del modelo y el modo en que estos procesos deban ser parametrizados (e.g. la variabilidad natural del terreno dentro de la celda de discretización o el flujo en las direcciones laterales y verticales en un modelo unidimensional). En esta tesis, se han utilizado el modelo unidimensional HEC-RAS, (HEC 1998b), un modelo ráster bidimensional de propagación de onda, (Yu 2005) y un esquema tridimensional de volúmenes finitos con un algoritmo de porosidad para incorporar la topografía, (Lane et al. 2004; Hardy et al. 2005). La geometría del contorno viene definida por la escala de representación topográfica (resolución de malla y contenido topográfico), la cual a su vez depende de la escala de la fuente cartográfica. Todos estos factores de escala interaccionan en la respuesta del modelo hidráulico a la topografía. En los últimos años, métodos como el análisis fractal y las técnicas geoestadísticas utilizadas para representar y analizar elementos geográficos (e.g. en la caracterización de superficies (Herzfeld and Overbeck 1999; Butler et al. 2001)), están promoviendo nuevos enfoques en la cuantificación de los efectos de escala (Lam et al. 2004; Atkinson and Tate 2000; Lam et al. 2006) por medio del análisis de la estructura espacial de la variable (e.g. Bishop et al. 2006; Ju et al. 2005; Myint et al. 2004; Weng 2002; Bian and Xie 2004; Southworth et al. 2006; Pozd-nyakova et al. 2005; Kyriakidis and Goodchild 2006). Estos métodos cuantifican tanto el rango de valores de la variable presentes a diferentes escalas como la homogeneidad o heterogeneidad de la variable espacialmente distribuida (Lam et al. 2004). En esta tesis, estas técnicas se han utilizado para analizar el impacto de la topografía sobre la estructura de los resultados hidráulicos simulados. Los datos de teledetección de alta resolución y técnicas GIS también están siendo utilizados para la mejor compresión de los efectos de escala en modelos medioambientales (Marceau 1999; Skidmore 2002; Goodchild 2003) y se utilizan en esta tesis. Esta tesis como corpus de investigación aborda las interacciones de esas escalas en la modelización hidráulica desde un punto de vista global e interrelacionado. Sin embargo, la estructura y el foco principal de los experimentos están relacionados con las nociones espaciales de la escala de representación en relación con una visión global de las interacciones entre escalas. En teoría, la representación topográfica debe caracterizar la superficie sobre la que corre el agua a una adecuada (conforme a la finalidad y dimensión del modelo) escala de discretización, de modo que refleje los procesos de interés. La parametrización de la rugosidad debe de reflejar los efectos de la variabilidad de la superficie a escalas de más detalle que aquellas representadas explícitamente en la malla topográfica (i.e. escala de discretización). Claramente, ambos conceptos están físicamente relacionados por un

Contraste de las formulaciones existentes para la estimación de la tasa de rebase en diques de abrigo portuario

La investigación que se resume en este artículo, resultante de diversos trabajos realizados en el CEDEX [10, 12], tiene por objeto contrastar las formulaciones desarrolladas por diferentes autores en materia de rebases en distintas tipologías de diques de abrigo. Para ello, se realizó en primer lugar la recopilación y el análisis de las formulaciones existentes para estimar la tasa de rebase sobre diques en talud y verticales. Posteriormente, se llevó a cabo el contraste de dichas formulaciones con los resultados obtenidos en dos ensayos realizados en el Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX, en Cabo Prioriño, Ferrol y en la alineación tercera de Melilla. The research that is summarized in this article, resultant of several studies carried out in the CEDEX [10, 12], is focused in the existing methods to estimate overtopping rates developed by different authors. For that, the summary was carry out firstly we collected and analyzed the existing formulae, particularly for rubble mound and vertical breakwaters. These formulations was compared with the results obtained in two hydraulic model tests of the Hydraulic Research Laboratory (the Center of Studies of Ports and Coasts of the CEDEX, Madrid, Spain). Keywords: overtopping rates, rubble mound breakwater, vertical breakwater, crown wall, run-up.

Modelización y simulación numérica de sistemas geotérmicos planos

En el presente proyecto se estudiará la conveniencia de utilizar simulación numérica para evaluar, diseñar y mejorar el diseño de instalaciones geotérmicas planas. Para ello, se modelizará el conjunto de terreno y sistema geotérmico mediante el acoplamiento de un modelo tridimensional (terreno) y un modelo unidimensional, formado por la red de tubería geotérmica, que estará dispuesta en un plano cuya orientación dependerá de las aplicaciones. Para la simulación numérica se utilizará un software de análisis y resolución por elementos finitos tipo comercial. Finalmente, se definirán unos parámetros geométricos de diseño y, teniendo en cuenta las propiedades térmicas de cada material, se realizarán estudios paramétricos para determinar la influencia de cada grupo de parámetros. Ello requerirá la realización de cientos de simulaciones numéricas que permitirán optimizar el rendimiento de sistemas geotérmicos planos tanto horizontales (soleras), como verticales (muros pantalla). ABSTRACT In this project it is going to be studied the convenience of numerical simulation as to evaluate, design and improve the design of geothermal planar installations. With this purpose, the terrain and the geothermal system will be modeled by coupling a three-dimensional model (terrain) and a one-dimensional model formed by the geothermal piping network disposed in a plane with an orientation which will depend on the applications. For the numerical simulation commercial software of analyzing and resolving by finite elements will be used. Finally, geometric design parameters will be defined, and taking into account the thermal properties of each material, parametric studies will be performed to determine the influence of each group of parameters. This will require the completion of hundreds of numerical simulations which will enhance the performance of both horizontal (slabs) and vertical (diaphragm walls) geothermal systems.

Diseño de Explotaciones e Infraestructuras Mineras Subterráneas.

Esta obra está destinada a servir de introducción al diseño de las explotaciones mineras subterráneas, campo en el que existe una muy escasa bibliografía en lengua castellana. Para ello, parte de una descripción pormenorizada de los criterios a tener en cuenta en un plan general de preparación y desarrollo de una mina subterránea, los criterios para la configuración general de los accesos y la terminología empleada en minería de interior. Seguidamente, se hace una descripción de la naturaleza del diseño, la ingeniería y la construcción de pozos verticales de extracción, los métodos para su construcción, su revestimiento y acondicionamiento, además de explicar la construcción de la maquinaria de extracción. Seguidamente se explican el diseño y la construcción de los planos inclinados y el desarrollo de galerías e infraestructura de mina. El resto de la publicación aborda los distintos métodos de explotación en interior, sus condiciones de diseño y de aplicación.

Integración de Fuentes con Información de Contexto y Sistemas Interactivos

Durante el transcurso de esta Tesis Doctoral se ha realizado un estudio de la problemática asociada al desarrollo de sistemas de interacción hombre-máquina sensibles al contexto. Este problema se enmarca dentro de dos áreas de investigación: los sistemas interactivos y las fuentes de información contextual. Tradicionalmente la integración entre ambos campos se desarrollaba a través de soluciones verticales específicas, que abstraen a los sistemas interactivos de conocer los procedimientos de bajo nivel de acceso a la información contextual, pero limitan su interoperabilidad con otras aplicaciones y fuentes de información. Para solventar esta limitación se hace imprescindible potenciar soluciones interoperables que permitan acceder a la información del mundo real a través de procedimientos homogéneos. Esta problemática coincide perfectamente con los escenarios de \Computación Ubicua" e \Internet de las Cosas", donde se apunta a un futuro en el que los objetos que nos rodean serán capaces de obtener información del entorno y comunicarla a otros objetos y personas. Los sistemas interactivos, al ser capaces de obtener información de su entorno a través de la interacción con el usuario, pueden tomar un papel especial en este escenario tanto como consumidores como productores de información. En esta Tesis se ha abordado la integración de ambos campos teniendo en cuenta este escenario tecnológico. Para ello, en primer lugar se ha realizado un an álisis de las iniciativas más importantes para la definición y diseño de sistemas interactivos, y de las principales infraestructuras de suministro de información. Mediante este estudio se ha propuesto utilizar el lenguaje SCXML del W3C para el diseño de los sistemas interactivos y el procesamiento de los datos proporcionados por fuentes de contexto. Así, se ha reflejado cómo las capacidades del lenguaje SCXML para combinar información de diferentes modalidades pueden también utilizarse para procesar e integrar información contextual de diferentes fuentes heterogéneas, y por consiguiente diseñar sistemas de interacción sensibles al contexto. Del mismo modo se presenta a la iniciativa Sensor Web, y a su extensión semántica Semantic Sensor Web, como una iniciativa idónea para permitir un acceso y suministro homogéneo de la información a los sistemas interactivos sensibles al contexto. Posteriormente se han analizado los retos que plantea la integración de ambos tipos de iniciativas. Como resultado se ha conseguido establecer una serie de funcionalidades que son necesarias implementar para llevar a cabo esta integración. Utilizando tecnologías que aportan una gran flexibilidad al proceso de implementación y que se apoyan en recomendaciones y estándares actuales, se implementaron una serie de desarrollos experimentales que integraban las funcionalidades identificadas anteriormente. Finalmente, con el fin de validar nuestra propuesta, se realizaron un conjunto de experimentos sobre un entorno de experimentación que simula el escenario de la conducción. En este escenario un sistema interactivo se comunica con una extensión semántica de una plataforma basada en los estándares de la Sensor Web para poder obtener información y publicar las observaciones que el usuario realizaba al sistema. Los resultados obtenidos han demostrado la viabilidad de utilizar el lenguaje SCXML para el diseño de sistemas interactivos sensibles al contexto que requieren acceder a plataformas avanzadas de información para consumir y publicar información a la vez que interaccionan con el usuario. Del mismo modo, se ha demostrado cómo la utilización de tecnologías semánticas en los procesos de consulta y publicación de información puede facilitar la reutilización de la información publicada en infraestructuras Sensor Web por cualquier tipo de aplicación, y de este modo contribuir al futuro escenario de Internet de las Cosas. ABSTRACT In this Thesis, we have addressed the difficulties related to the development of context-aware human-machine interaction systems. This issue is part of two research fields: interactive systems and contextual information sources. Traditionally both fields have been integrated through domain-specific vertical solutions that allow interactive systems to access contextual information without having to deal with low-level procedures, but restricting their interoperability with other applications and heterogeneous data sources. Thus, it is essential to boost the research on interoperable solutions that provide access to real world information through homogeneous procedures. This issue perfectly matches with the scenarios of \Ubiquitous Computing" and \Internet of Things", which point toward a future in which many objects around us will be able to acquire meaningful information about the environment and communicate it to other objects and to people. Since interactive systems are able to get information from their environment through interaction with the user, they can play an important role in this scenario as they can both consume real-world data and produce enriched information. This Thesis deals with the integration of both fields considering this technological scenario. In order to do this, we first carried out an analysis of the most important initiatives for the definition and design of interactive systems, and the main infrastructures for providing information. Through this study the use of the W3C SCXML language is proposed for both the design of interactive systems and the processing of data provided by different context sources. Thus, this work has shown how the SCXML capabilities for combining information from different modalities can also be used to process and integrate contextual information from different heterogeneous sensor sources, and therefore to develope context-aware interaction systems. Similarly, we present the Sensor Web initiative, and its semantic extension Semantic Sensor Web, as an appropriate initiative to allow uniform access and delivery of information to the context-aware interactive systems. Subsequently we have analyzed the challenges of integrating both types of initiatives: SCXML and (Semantic) Sensor Web. As a result, we state a number of functionalities that are necessary to implement in order to perform this integration. By using technologies that provide exibility to the implementation process and are based on current recommendations and standards, we implemented a series of experimental developments that integrate the identified functionalities. Finally, in order to validate our approach, we conducted different experiments with a testing environment simulating a driving scenario. In this framework an interactive system can access a semantic extension of a Telco plataform, based on the standards of the Sensor Web, to acquire contextual information and publish observations that the user performed to the system. The results showed the feasibility of using the SCXML language for designing context-aware interactive systems that require access to advanced sensor platforms for consuming and publishing information while interacting with the user. In the same way, it was shown how the use of semantic technologies in the processes of querying and publication sensor data can assist in reusing and sharing the information published by any application in Sensor Web infrastructures, and thus contribute to realize the future scenario of \Internet of Things".

Estudio Energético y de Explotación de diferentes conjuntos de Labranza para el Cultivo de la Yuca (Manihot esculenta, Crantz) en un Fluvisol

El trabajo se desarrolló en tres etapas de investigación, las dos primeras fueron realizadas en la Unidad Básica de Producción Cooperativa “El Palmar” perteneciente a la Empresa de Cultivos Varios "Paquito Rosales Benítez" del municipio de Yara, provincia de Granma, Cuba, el cual se llevó a cabo en el período de abril de 2005 a enero de 2008; y de noviembre de 2012 a febrero de 2013 respectivamente; la tercera se ejecutó de mayo a junio de 2013 en un canal de suelo ubicado en la nave de maquinaria del Departamento de Ingeniería Rural de la Universidad Politécnica de Madrid. En la primera etapa se evaluaron los conjuntos tractor-apero que intervienen en la realización de cuatro sistemas de labranza para el cultivo de la yuca, variedad Enana Rosada. Los sistemas de laboreo fueron: T1, labor de aradura (alzado) con un arado de discos seguidas de un pase de grada de discos un pase cruzado de un escarificador y un pase con una grada de discos (5 labores); T2, laboreo mínimo que comprende una labor profunda con un escarificador con saetas seguido por una labor de grada de discos (2 labores); T3, laboreo mínimo en el que se realizaron dos pases cruzados con escarificador y una labor de fresado con una fresadora de eje horizontal (3 labores) y; T4, dos labores cruzadas con la grada de discos seguidas por otras dos pases cruzados con el escarificador y una última labor con la grada de discos (5 labores). Se realizaron cinco observaciones de la jornada laboral para cada uno de los conjuntos tractorapero de cada sistema de laboreo en tres campañas, evaluando el consumo de combustible, las diferentes productividades, los índices y coeficientes tecnológicos y de explotación, el rendimiento del cultivo el balance energético del mismo, y la emisión de CO2 equivalente. En la segunda etapa se determinó la fuerza de tiro requerida por un órgano de trabajo de un escarificador con saetas en condiciones de campo, en tres profundidades (15, 25 y 35 cm) y a cuatro velocidades de trabajo (1,30; 1,49; 1,65 y 2,32 m s-1). En la tercera etapa se determinaron las fuerzas horizontales y verticales en una maqueta experimental de un órgano de trabajo de un escarificador con saetas (1:5 del tamaño real del apero) en cuatro contenidos de humedad (60, 90, 120 y 150 g kg-1), tres densidades del suelo (1,1; 1,2 y 1,3 Mg m-3) y una velocidad de 40 mm s-1. Se comparan los resultados del apero a tamaño real y la maqueta experimental. Los mejores resultados relacionados con los indicadores evaluados a la maquinaria correspondieron al sistema de laboreo mínimo T2, el cual presenta la mejor productividad por hora de tiempo limpio (1,34 ha h-1) y de tiempo operativo (1,27 ha h-1), con diferencias significativas respecto al resto de los sistemas de labranza evaluados; así como el menor consumo de combustible (32,4 L ha-1) y el mejor comportamiento energético, con diferencias significativas respecto a las demás, resultando inferior en un 63, 30 y 58 % con relación a T1, T3 y T4. La fuerza de tiro del órgano de trabajo del escarificador con saetas se incrementa con la densidad del suelo y con la profundidad, y velocidad de trabajo. Las fuerzas horizontales y verticales de la maqueta se incrementan linealmente con la densidad y humedad del suelo. Existe una relación lineal entre las fuerzas de tiro y horizontales medidas en el apero real y en el apero a escala con el contenido de humedad del suelo. ABSTRACT The work was developed in three stages of research, the first two were conducted in the Basic Unit of Cooperative Production "El Palmar" belonging to the agricultural farm "Paquito Rosales Benitez" in the municipality of Yara, Granma Province, Cuba, the which was conducted in the period from April 2005 to January 2008 and November 2012 and February 2013 respectively, the third from May to June 2013 on a soilbin located in the ship's machinery of Rural Engineering Department of the Technical University of Madrid. In the first stage were evaluated tractor-implement sets involved in the completion of four tillage systems for cassava, Pink Dwarf variety. Tillage systems were: T1, plowing (elevation) with a disk plow followed by a pass of disc harrow, a cross of scarifier and a pass with a disc harrow (5 labours), T2, minimum tillage comprising a deep work with a scarifier with a bolt followed by a disc harrow work (two labours); T3, minimum tillage which two crossed passes performed with scarifier and milling labour with a horizontal axis milling machine (three labours) and, T4, two crossed labours with disc harrow followed by two crossed passes with the scarifier and a final labour with disc harrow (5 labours). Five observations of the working day for each tractor-implement sets of each tillage system in three seasons were performed, evaluating fuel consumption, different productivities, indexes and technological and operational factors, the crop yield energy balance and the emission of CO2 equivalent. In the second stage we determined the draft force required by a working body of a scarifier with bolt under field conditions at three depths (15, 25 and 35 cm) and four operating speeds (1.30, 1.49 , 1.65 and 2.32 m s-1). In the third stage were determined horizontal and vertical forces on an experimental model of a working body of a scarifier with bolt (1:5 real scale of the implement) in four moisture contents (60, 90, 120 and 150 g kg -1), three soil densities (1.1, 1.2, and 1.3 Mg m-3) and a speed of 40 mm s-1.The results of real scale implement the experimental model were compared. The best results related to evaluated machinery indicators corresponded to T2 minimum tillage system, which presents the best productivity per hour clean time (1.34 ha h-1) and operating time (1.27 ha h-1), with significant differences compared to other tillage systems evaluated; as well as lower fuel consumption (32.4 L ha-1) and the best energy performance, with significant differences from the other, resulting lower by 63, 30 and 58% compared to T1, T3 and T4. The draft force of the working body of the scarifier with bolt increases with soil density and depth, and speed of work. The horizontal and vertical forces of the model increase linearly with density and soil moisture. A linear relationship exists between the shot and horizontal forces measured at the real implement and scale implement with the soil moisture content.

Aplicación de un ejercicio de prácticas de cálculo dinámico al proyecto de puentes

Este artículo describe un método simplificado para el estudio de la importancia de los modos locales en el establecimiento de las cargas para el dimensionamiento de las pilas de puentes. El cálculo sísmico de puentes es un tema de moda tras los espectaculares fallos acaecidos durante terremotos recientes y la continua construcción de obras de infraestructura en regiones sísmicas. Los problemas dinámicos planteados por los puentes son cualitativamente diferentes de los de edificación, incluso para el caso más sencillo de vibraciones longitudinales en pasos superiores rectos. A pesar de ello, las normas actuales proponen un método simplificado de "fuerzas equivalentes" basado en la aplicación del método de Rayleigh que no es de aplicación inmediata al cálculo de movimientos transversales o verticales, ya que está basado en un sólo modo; además, como se indica mas adelante, la introducción de apoyos elásticos entre tablero y pilas puede inducir modos locales que son de importancia capital para el cálculo de los esfuerzos en los pilares y que el calculista puede olvidar si aplica a ciegas las reglas habituales de truncamiento modal (por ejemplo, el criterio del 90% de la masa movilizada). El objetivo del artículo es desarrollar un modelo de dos grados de libertad con el que se muestre la importancia de la vobración de los pilares siguiendo un desarrollo asintótico propuesto por Kelly (1988) en otro contexto. Es interesante observar que el método propuesto permite una estimación cualitativa de la importancia de los modos cuya contribución a la solicitación de las columnas puede ser definitiva.

Optimización del acondicionamiento sísmico en puentes mediante el aislamiento en la base del tablero

Una solución para conseguir minimizar los daños que los terremotos causan en los puentes consiste en el aislamiento sísmico en la base, utilizando apoyos deslizantes entre pilas y tablero que transmitan únicamente las cargas verticales, mientras que los esfuerzos horizontales son transmitidos por unos dispositivos especiales que proporcionan flexibilidad horizontal, fuerzas de reacción y disipación de energía. En este trabajo se desarrolla un método para definir cuales serían las características ideales que deberían tener esos dispositivos de aislamiento para conseguir que las fuerzas horizontales transmitidas a las pilas sean inferiores a su límite elástico, minimizando los desplazamientos permitidos del tablero, y consiguiendo idénticas deformaciones en todos los puntos de la estructura en cada momento. Este método se desarrollará para todo tipo de puentes y se particularizará para tipos propuestos en los estudios realizados en la elaboración del Eurocódigo Sísmico analizándose las variables que intervienen, y las respuestas dinámicas esperadas.

Ensayo para calcular tensiones y deformaciones en la estructura del techo de un silo metálico de 18,34 m de diámetro

Los silos metálicos requieren la disposición de una estructura en su parte superior para permitir la fijación de las chapas que forman la cubierta del silo y así soportar las cargas para las que ha sido diseñada. Esta estructura está formada por un sistema reticular de vigas radiales y circunferenciales que desempeñan diversas funciones. Los modelos de cálculo que se emplean asumen la existencia de ciertos supuestos de comportamiento que luego deben verificarse en la práctica. Por esta razón, se diseñó un experimento para obtener las tensiones y desplazamientos verticales producidos en distintos elementos de la estructura del techo de un silo de 18,34 m de diámetro, con objeto de validar los resultados proporcionados por modelos de cálculo numérico. La instrumentación de un silo de estas dimensiones resulta bastante compleja, y requiere tener en cuenta numerosos factores como la selección representativa de los puntos de carga aplicados sobre el techo, la comprobación de las cargas transmitidas o la instalación de los dispositivos adecuados para poder registrar las mediciones necesarias. En los distintos ensayos realizados llegaron a aplicarse simultáneamente cargas sobre la estructura hasta en 54 puntos, mediante el uso de cintas tensoras (eslingas). La comprobación de la carga aplicada se realizó con el uso de 8 dinamómetros. Por otro lado, los desplazamientos verticales sufridos por la estructura, sometida a carga, se comprobaron en 3 puntos alineados con el uso de flexímetros ASM tipo A-WS10-100-R1K-L10, y las tensiones se infirieron a partir de las deformaciones registradas mediante el uso de 8 galgas extensométricas en 4 vigas opuestas de la estructura. Las lecturas procedentes de las galgas extensométricas y de los flexímetros fueron registrados mediante el uso de dataloggers. Los resultados obtenidos con los ensayos fueron comparados con los obtenidos con un programa de cálculo de estructuras mediante el cual se realizó un modelo tridimensional de la estructura. Se observó una buena concordancia en los resultados, siempre que se cumplieran las hipótesis de partida del modelo. El ensayo permitió detectar la presencia de ciertas anomalías en el funcionamiento de algunos elementos del silo, que fueron corroboradas con los modelos de cálculo.

Problemas de interacción terreno-estructura I

Numerosos problemas en ingeniería se refieren a la respuesta dinámica del terreno frente a solicitaciones permanentes o transitorias. Ejemplos típicos son las sacudidas sísmicas, el paso de cargas móviles, la actuación de máquinas con dispositivos alternativos (compactadores, turboalternadores etc.), etc. El desarrollo de la mecánica de suelo, así como el interés de mejorar el diseño y garantizar la seguridad de las estructuras afectadas han conducido al desarrollo de un cuerpo de doctrina homogéneo y riguroso para el tratamiento de problemas como los citados. Obsérvese que, en general, ni el terreno ni la estructura sobre él construida se pueden estudiar por separado. Hay una verdadera interacción entre ambos y ella es, preciamente, la motivación del problema. Así, en el presente capítulo se analiza el semiespacio elástico con carga dinámica, el caso viscoelástico y el amortiguamiento material. En lo que respecta al semiespacio elástico con carga dinámica, además de un breve desarrollo histórico, se hace referencia a las vibraciones verticales en régimen permanente, las vibraciones horizontales y giratoriaas en régimen permanente, el modelo de Veletsos, las vibraciones de torsión, la carga en faja, los cimientos rectangulares y los cimientos empotrados. Respecto al caso viscoelástico y el amortiguamiento material, se analizan diversos mecanismos de amortiguamiento.

Ladrillo cerámico con huecos hexagonales.

Ladrillo cerámico con huecos hexagonales. La invención consiste en un ladrillo cerámico con huecos hexagonales a lo largo de su dirección longitudinal. Resuelve el problema de la transmisión de ruido aéreo que presentan los ladrillos cerámicos con hueco cuadrado o rectangular. La intensidad del sonido transmitido en sólidos decrece con el aumento de camino recorrido. Por ello, la sustitución de las paredes perpendiculares que definen los huecos cuadrados o rectangulares, por las que definen los huecos hexagonales representa un mayor recorrido y una absorción mayor de ruido. El espesor del ladrillo puede variar según contenga una o más filas de hexágonos compartiendo caras o vértices. No hay limitación en las dimensiones del largo y ancho del mismo. Exteriormente los cantos de las piezas pueden ser machihembrados y las caras planas pueden o no presentar estriado. La colocación de la pieza se realiza con los huecos paralelos a la horizontal. Utilización en construcción de paramentos verticales en edificios

High reynolds numbers turbulent boundary layers

Esta tesis estudia las similitudes y diferencias entre los flujos turbulentos de pared de tipo externo e interno, en régimen incompresible, y a números de Reynolds moderada¬mente altos. Para ello consideramos tanto simulaciones numéricas como experimentos de capas límites con gradiente de presiones nulo y de flujos de canal, ambos a números de Reynolds en el rango δ+ ~ 500 - 2000. Estos flujos de cortadura son objeto de numerosas investigaciones debido a la gran importancia que tienen tanto a nivel tecnológico como a nivel de física fundamental. No obstante, todavía existen muchos interrogantes sobre aspectos básicos tales como la universalidad de los perfiles medios y de fluctuación de las velocidades o de la presión, tanto en la zona cercana a la pared como en la zona logarítmica, el escalado y el efecto del número de Reynolds, o las diferencias entre los flujos internos y externos en la zona exterior. En éste estudio hemos utilizado simulaciones numéricas ya existentes de canales y capas límites a números de Reynolds δ+ ~ 2000 y δ+ ~ 700, respectivamente. Para poder comparar ambos flujos a igual número de Reynolds hemos realizado una nueva simulación directa de capa límite en el rango δ+ ~ 1000-2000. Los resultados de la misma son presentados y analizados en detalle. Los datos sin postprocesar y las estadísticas ya postprocesadas están públicamente disponibles en nuestro sitio web.162 El análisis de las estadísticas usando un único punto confirma la existencia de perfiles logarítmicos para las fluctuaciones de la velocidad transversal w'2+ y de la presión p'2+ en ambos tipos de flujos, pero no para la velocidad normal v'2+ o la velocidad longitudinal u'2+. Para aceptar o rechazar la existencia de un rango logarítmico en u'2+ se requieren números de Reynolds más altos que los considerados en éste trabajo. Una de las conse¬cuencias más importantes de poseer tales perfiles es que el valor máximo de la intensidad, que se alcanza cerca de la pared, depende explícitamente del número de Reynolds. Esto ha sido confirmado tras analizar un gran número de datos experimentales y numéricos, cor¬roborando que el máximo de u'2+, p/2+, y w'2+ aumenta proporcionalmente con el log(δ+). Por otro lado, éste máximo es más intenso en los flujos externos que en los internos. La máxima diferencia ocurre en torno a y/δ ~ 0.3-0.5, siendo esta altura prácticamente independiente del número de Reynolds considerado. Estas diferencias se originan como consecuencia del carácter intermitente de las capas límites, que es inexistente en los flujos internos. La estructura de las fluctuaciones de velocidad y de presión, junto con la de los esfuer¬zos de Reynolds, se han investigado por medio de correlaciones espaciales tridimensionales considerando dos puntos de medida. Hemos obtenido que el tamaño de las mismas es gen¬eralmente mayor en canales que en capas límites, especialmente en el caso de la correlación longitudinal Cuu en la dirección del flujo. Para esta correlación se demuestra que las es¬tructuras débilmente correladas presentan longitudes de hasta 0(75), en el caso de capas límites, y de hasta 0(185) en el caso de canales. Estas longitudes se obtienen respecti-vamente en la zona logarítmica y en la zona exterior. Las longitudes correspondientes en la dirección transversal son significativamente menores en ambos flujos, 0(5 — 25). La organización espacial de las correlaciones es compatible con la de una pareja de rollos casi paralelos con dimensiones que escalan en unidades exteriores. Esta organización se mantiene al menos hasta y ~ 0.65, altura a la cual las capas límites comienzan a organi¬zarse en rollos transversales. Este comportamiento es sin embargo más débil en canales, pudiéndose observar parcialmente a partir de y ~ 0.85. Para estudiar si estas estructuras están onduladas a lo largo de la dirección transver¬sal, hemos calculado las correlaciones condicionadas a eventos intensos de la velocidad transversal w'. Estas correlaciones revelan que la ondulación de la velocidad longitudinal aumenta conforme nos alejamos de la pared, sugiriendo que las estructuras están más alineadas en la zona cercana a la pared que en la zona lejana a ella. El por qué de esta ondulación se encuentra posiblemente en la configuración a lo largo de diagonales que presenta w'. Estas estructuras no sólo están onduladas, sino que también están inclinadas respecto a la pared con ángulos que dependen de la variable considerada, de la altura, y de el contorno de correlación seleccionado. Por encima de la zona tampón e independien¬temente del número de Reynolds y tipo de flujo, Cuu presenta una inclinación máxima de unos 10°, las correlaciones Cvv y Cm son esencialmente verticales, y Cww está inclinada a unos 35°. Summary This thesis studies the similitudes and differences between external and internal in¬compressible wall-bounded turbulent flows at moderately-high Reynolds numbers. We consider numerical and experimental zero-pressure-gradient boundary layers and chan¬nels in the range of δ+ ~ 500 — 2000. These shear flows are subjects of intensive research because of their technological importance and fundamental physical interest. However, there are still open questions regarding basic aspects such as the universality of the mean and fluctuating velocity and pressure profiles at the near-wall and logarithmic regions, their scaling and the effect of the Reynolds numbers, or the differences between internal and external flows at the outer layer, to name but a few. For this study, we made use of available direct numerical simulations of channel and boundary layers reaching δ+ ~ 2000 and δ+ ~ 700, respectively. To fill the gap in the Reynolds number, a new boundary layer simulation in the range δ+ ~ 1000-2000 is presented and discussed. The original raw data and the post-processed statistics are publicly available on our website.162 The analysis of the one-point statistic confirms the existence of logarithmic profiles for the spanwise w'2+ and pressure p'2+ fluctuations for both type of flows, but not for the wall-normal v'2+ or the streamwise u'2+ velocities. To accept or reject the existence of a logarithmic range in u'2+ requires higher Reynolds numbers than the ones considered in this work. An important consequence of having such profiles is that the maximum value of the intensities, reached near the wall, depends on the Reynolds number. This was confirmed after surveying a wide number of experimental and numerical datasets, corrob¬orating that the maximum of ul2+, p'2+, and w'2+ increases proportionally to log(δ+). On the other hand, that maximum is more intense in external flows than in internal ones, differing the most around y/δ ~ 0.3-0.5, and essentially independent of the Reynolds number. We discuss that those differences are originated as a consequence of the inter¬mittent character of boundary layers that is absent in internal flows. The structure of the velocity and pressure fluctuations, together with those of the Reynolds shear stress, were investigated using three-dimensional two-point spatial correlations. We find that the correlations extend over longer distances in channels than in boundary layers, especially in the case of the streamwise correlation Cuu in the flow direc-tion. For weakly correlated structures, the maximum streamwise length of Cuu is O(78) for boundary layers and O(188) for channels, attained at the logarithmic and outer regions respectively. The corresponding lengths for the transverse velocities and for the pressure are shorter, 0(8 — 28), and of the same order for both flows. The spatial organization of the velocity correlations is shown to be consistent with a pair of quasi-streamwise rollers that scales in outer units. That organization is observed until y ~ 0.68, from which boundary layers start to organize into spanwise rollers. This effect is weaker in channels, and it appears at y ~ 0.88. We present correlations conditioned to intense events of the transversal velocity, w', to study if these structures meander along the spanwise direction. The results indicate that the streamwise velocity streaks increase their meandering proportionally to the distance to the wall, suggesting that the structures are more aligned close to the wall than far from it. The reason behind this meandering is probably due to the characteristic organization along diagonals of w'. These structures not only meander along the spanwise direction, but they are also inclined to the wall at angles that depend on the distance from the wall, on the variable being considered, and on the correlation level used to define them. Above the buffer layer and independent of the Reynolds numbers and type of flow, the maximum inclination of Cuu is about 10°, Cvv and Cpp are roughly vertical, and Cww is inclined by 35°.

Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Fenómenos de galope en piezas prismáticas con sección en H

El objetivo de esta Tesis es el estudio sistemático del fenómeno aeroelástico de galope de una viga prismática con sección transversal en H. En particular, se pretende analizar la influencia de determinados parámetros geométricos que definen la geometría de la sección y el efecto del ángulo de ataque de la corriente sobre la estabilidad del fenómeno de oscilación. El interés en el estudio de esta forma de la sección transversal de una viga se basa en el hecho de que, con cierta frecuencia, se sigue utilizando, por su buen comportamiento estructural, en construcciones civiles como tableros y tirantes de puentes de gran longitud, señalizaciones, luminarias y, en general, en grandes estructuras metálicas. Los parámetros geométricos seleccionados para su estudio son tres: el espesor de las dos alas verticales, su porosidad y el espesor de sendas ranuras en la zona de unión entre el alma y las alas de la sección. Inicialmente se han realizado ensayos estáticos en un túnel aerodinámico con objeto de obtener las cargas aerodinámicas y poder aplicar el criterio casi-estático de Glauert - Den Hartog. En estos ensayos, se han medido tanto las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámicas como las distribuciones de presiones en la superficie de la zona central de la sección. Posteriormente, se han realizado ensayos de visualización de flujo, utilizando un túnel de humos, para poder comprender mejor el comportamiento físico del aire alrededor del cuerpo. El estudio estático se ha completado realizando ensayos con PIV, que permiten realizar una medida precisa de la velocidad del campo fluido. Por último, se han realizado ensayos dinámicos en otro túnel aerodinámico con objeto de contrastar la aplicabilidad del criterio casi-estático, la velocidad de inicio de galope y la amplitud de las oscilaciones producidas. Los resultados muestran que el espesor de las alas verticales, aunque modifica apreciablemente la magnitud de las cargas aerodinámicas, no afecta sustancialmente a la estabilidad a galope, mientras que su porosidad sí ejerce un control efectivo que permite reducir este fenómeno e incluso evitarlo, en determinados casos. En todas las situaciones el criterio de Glauert-Glauert - Den Hartog ha resultado ser aplicable y, en ocasiones, más restrictivo que los resultados obtenidos en ensayos dinámicos. La presencia de una ranura en la zona de unión entre el alma y las dos alas, o su combinación con la porosidad en las alas, reduce la intensidad de galope, incrementando la velocidad crítica de su inicio, pero no logra hacer que desaparezca, como se justificará en el desarrollo del trabajo. ABSTRACT Galloping is a type of aeroelastic instability characterized by a large amplitude oscillation at the natural frequency of the structure, producing normal motion to wind. It usually occurs in slender bodies lightly damped at sufficiently high speeds. In this thesis an experimental study has been developed on the galloping instability of a beam with H cross section, which is inscribed in a rectangle with a slender 1: 2. A systematic study has been carried out of the influence of three different geometric parameters on galloping, in the range of 0 to 90° angle of attack of the incoming stream. These parameters are the thickness of the flanges of the section, the porosity of the flanges, the thickness of two slots along the span, in the area between the flange and the central core of the section, and the combination effect of the last two parameters. First of all, static tests have been performed in a wind tunnel to determine the lift and drag forces by using a balance and then the quasi-static stability criterion due to Glauert-Den Hartog has been determined. Later, to better understand and verify the results previously obtained, it has also been tested the pressure distribution on the surface of the model, flow visualization in a second, smoke, wind tunnel, and Particle Image Velocimetry (PIV) study of the flow around the section, in a third tunnel. Finally, dynamic tests have been performed, on a fourth wind tunnel, for determining the amplitude and frequency of the oscillations in each case. The results have been collected in stability diagrams for each geometric parameter studied. These results show that the more critical angles of attack of the stream for galloping behavior are close to 0 and 90º. It has been found that the thickness of the flanges, although changes the galloping behavior on the section, does not reduce it substantially. However, the porosity in the flanges has been proved to be an efficient control mechanism on galloping, and even above 40% porosity, it disappears. The thickness of the slot studied and its combination with the porosity in the flanges in some cases reduces the aerodynamic forces appreciably but fail to prevent galloping at all angles of attack.

Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

El principal objetivo de este trabajo es aportar conocimiento para contestar la pregunta: ¿hasta que punto los ensayos en túnel aerodinámico pueden contribuir a determinar las características que afectan la respuesta dinámica de los aerogeneradores operando en terreno complejo?. Esta pregunta no es nueva, de hecho, el debate en la comunidad científica comenzó en el primer tercio del siglo pasado y aún está intensamente vivo. El método generalmente aceptado para enfrentar el mencionado problema consiste en analizar un caso de estudio determinado en el cual se aplican tanto ensayos a escala real como análisis computacionales y ensayos en túnel aerodinámico. Esto no es ni fácil ni barato. Esta es la razón por la cual desde el experimento de Askervein en 1988, los modelizadores del flujo atmosférico tuvieron que esperar hasta 2007 a que el experimento de Bolund fuese puesto en marcha con un despliegue de medios técnicos equivalentes (teniendo en cuenta la evolución de las tecnologías de sensores y computación). El problema contempla tantos aspectos que ambas experiencias fueron restringidas a condiciones de atmósfera neutra con efectos de Coriolis despreciables con objeto de reducir la complejidad. Este es el contexto en el que se ha desarrollado la presente tesis doctoral. La topología del flujo sobre la isla de Bolund ha sido estudiada mediante la reproducción del experimento de Bolund en los túneles aerodinámicos A9 y ACLA16 del IDR. Dos modelos de la isla de Bolund fueron fabricados a dos escalas, 1:230 y 1:115. El flujo de entrada en el túnel aerodinámico simulando la capa límite sin perturbar correspondía a régimen de transición (transitionally rough regime) y fue usado como situación de referencia. El modelo a escala 1:230 fue ensayado en el túnel A9 para determinar la presión sobre su superficie. La distribución del coeficiente de presión sobre la isla proporcionó una visualización y estimación de una región de desprendimiento sobre el pequeño acantilado situado al frente de la misma. Las medidas de presión instantánea con suficiente grado de resolución temporal pusieron de manifiesto la no estacionariedad en la región de desprendimiento. El modelo a escala 1:115 fue ensayado utilizando hilo caliente de tres componentes y un sistema de velocimetría por imágenes de partículas de dos componentes. El flujo fue caracterizado por el ratio de aceleración, el incremento normalizado de energía cinética turbulenta y los ángulos de inclinación y desviación horizontal. Los resultados a lo largo de la dirección 270°y alturas de 2 m y 5 m presentaron una gran similitud con los resultados a escala real del experimento de Bolund. Los perfiles verticales en las localizaciones de las torres meteorológicas mostraron un acuerdo significativo con los resultados a escala real. El análisis de los esfuerzos de Reynolds y el análisis espectral en las localizaciones de los mástiles meteorológicos presentaron niveles de acuerdo variados en ciertas posiciones, mientras que en otras presentaron claras diferencias. El mapeo horizontal del flujo, para una dirección de viento de 270°, permitió caracterizar el comportamiento de la burbuja intermitente de recirculación sobre el pequeño acantilado existente al frente de la isla así como de la región de relajación y de la capa de cortadura en la región corriente abajo de Bolund. Se realizaron medidas de velocidad con alta resolución espacial en planos perpendiculares a la dirección del flujo sin perturbar. Estas medidas permitieron detectar y caracterizar una estructura de flujo similar a un torbellino longitudinal con regiones con altos gradientes de velocidad y alta intensidad de turbulencia. Esta estructura de flujo es, sin duda, un reto para los modelos computacionales y puede considerarse un factor de riesgo para la operación de los aerogeneradores. Se obtuvieron y analizaron distribuciones espaciales de los esfuerzos de Reynolds mediante 3CHW y PIV. Este tipo de parámetros no constituyen parte de los resultados habituales en los ensayos en túnel sobre topografías y son muy útiles para los modelizadores que utilizan simulación de grades torbellinos (LES). Se proporciona una interpretación de los resultados obtenidos en el túnel aerodinámico en términos de utilidad para los diseñadores de parques eólicos. La evolución y variación de los parámetros del flujo a lo largo de líneas, planos y superficies han permitido identificar como estas propiedades del flujo podrían afectar la localización de los aerogeneradores y a la clasificación de emplazamientos. Los resultados presentados sugieren, bajo ciertas condiciones, la robustez de los ensayos en túnel para estudiar la topología sobre terreno complejo y su comparabilidad con otras técnicas de simulación, especialmente considerando el nivel de acuerdo del conjunto de resultados presentados con los resultados a escala real. De forma adicional, algunos de los parámetros del flujo obtenidos de las medidas en túnel son difícilmente determinables en ensayos a escala real o por medios computacionales, considerado el estado del arte. Este trabajo fue realizado como parte de las actividades subvencionadas por la Comisión Europea como dentro del proyecto FP7-PEOPLE-ITN-2008WAUDIT (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) dentro de la FP7 Marie-Curie Initial Training Network y por el Ministerio Español de Economía y Competitividad dentro del proyecto ENE2012-36473, TURCO (Determinación en túnel aerodinámico de la distribución espacial de parámetros estadísticos de la turbulencia atmosférica sobre topografías complejas) del Plan Nacional de Investigación (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). El informe se ha organizado en siete capítulos y un conjunto de anexos. En el primer capítulo se introduce el problema. En el capítulo dos se describen los medios experimentales utilizados. Seguidamente, en el capítulo tres, se analizan en detalle las condiciones de referencia del principal túnel aerodinámico utilizado en esta investigación. En el capítulo tres se presentan resultados de ensayos de presión superficial sobre un modelo de la isla. Los principales resultados del experimento de Bolund se reproducen en el capítulo cinco. En el capítulo seis se identifican diferentes estructuras del flujo sobre la isla y, finalmente, en el capitulo siete, se recogen las conclusiones y una propuesta de lineas de trabajo futuras. ABSTRACT The main objective of this work is to contribute to answer the question: to which extend can the wind tunnel testing contribute to determine the flow characteristics that affect the dynamic response of wind turbines operating in highly complex terrains?. This question is not new, indeed, the debate in the scientific community was opened in the first third of the past century and it is still intensely alive. The accepted approach to face this problem consists in analysing a given case study where full-scale tests, computational modelling and wind tunnel testing are applied to the same topography. This is neither easy nor cheap. This is is the reason why since the Askervein experience in 1988, the atmospheric flow modellers community had to wait till 2007 when the Bolund experiment was setup with a deployment of technical means equivalent (considering the evolution of the sensor and computing techniques). The problem is so manifold that both experiences were restricted to neutral conditions without Coriolis effects in order to reduce the complexity. This is the framework in which this PhD has been carried out. The flow topology over the Bolund Island has been studied by replicating the Bolund experiment in the IDR A9 and ACLA16 wind tunnels. Two mock-ups of the Bolund island were manufactured at two scales of 1:230 and 1:115. The in-flow in the empty wind tunnel simulating the incoming atmospheric boundary layer was in the transitionally rough regime and used as a reference case. The 1:230 model was tested in the A9 wind tunnel to measure surface pressure. The mapping of the pressure coefficient across the island gave a visualisation and estimation of a detachment region on the top of the escarpment in front of the island. Time resolved instantaneous pressure measurements illustrated the non-steadiness in the detachment region. The 1:115 model was tested using 3C hot-wires(HW) and 2C Particle Image Velocimetry(PIV). Measurements at met masts M3, M6, M7 and M8 and along Line 270°were taken to replicate the result of the Bolund experiment. The flow was characterised by the speed-up ratio, normalised increment of the turbulent kinetic energy, inclination angle and turning angle. Results along line 270°at heights of 2 m and 5 m compared very well with the full-scale results of the Bolund experiment. Vertical profiles at the met masts showed a significant agreement with the full-scale results. The analysis of the Reynolds stresses and the spectral analysis at the met mast locations gave a varied level of agreement at some locations while clear mismatch at others. The horizontal mapping of the flow field, for a 270°wind direction, allowed to characterise the behaviour of the intermittent recirculation bubble on top of the front escarpment followed by a relaxation region and the presence of a shear layer in the lee side of the island. Further detailed velocity measurements were taken at cross-flow planes over the island to study the flow structures on the island. A longitudinal vortex-like structure with high mean velocity gradients and high turbulent kinetic energy was characterised on the escarpment and evolving downstream. This flow structure is a challenge to the numerical models while posing a threat to wind farm designers when siting wind turbines. Spatial distribution of Reynold stresses were presented from 3C HW and PIV measurements. These values are not common results from usual wind tunnel measurements and very useful for modellers using large eddy simulation (LES). An interpretation of the wind tunnel results in terms of usefulness to wind farm designers is given. Evolution and variation of the flow parameters along measurement lines, planes and surfaces indicated how the flow field could affect wind turbine siting. Different flow properties were presented so compare the level of agreement to full-scale results and how this affected when characterising the site wind classes. The results presented suggest, under certain conditions, the robustness of the wind tunnel testing for studying flow topology over complex terrain and its capability to compare to other modelling techniques especially from the level of agreement between the different data sets presented. Additionally, some flow parameters obtained from wind tunnel measurements would have been quite difficult to be measured at full-scale or by computational means considering the state of the art. This work was carried out as a part of the activities supported by the EC as part of the FP7- PEOPLE-ITN-2008 WAUDIT project (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) within the FP7 Marie-Curie Initial Training Network and by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad, within the framework of the ENE2012-36473, TURCO project (Determination of the Spatial Distribution of Statistic Parameters of Flow Turbulence over Complex Topographies in Wind Tunnel) belonging to the Spanish National Program of Research (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). The report is organised in seven chapters and a collection of annexes. In chapter one, the problem is introduced. In chapter two the experimental setup is described. Following, in chapter three, the inflow conditions of the main wind tunnel used in this piece of research are analysed in detail. In chapter three, preliminary pressure tests results on a model of the island are presented. The main results from the Bolund experiment are replicated in chapter five. In chapter six, an identification of specific flow strutures over the island is presented and, finally, in chapter seven, conclusions and lines for future works related to the presented one are included.