Aerodynamic loads on bluff bodies under wind gusts

Esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de las cargas aerodinámicas no estacionario en romos cuerpos o no aerodinámicos (bluff bodies). Con este objetivo se han identificado y analizado los siguientes puntos: -Caracterización del flujo medido con diferentes tipos de tubos de Pitot y anemómetro de hilo caliente en condiciones de flujo no estacionario inestable generado por un túnel aerodinamico de ráfagas. -Diseño e integración de los montajes experimentales requeridos para medir las cargas de viento internas y externas que actúan sobre los cuerpos romos en condiciones de flujo de viento con ráfagas. -Implementación de modelos matemáticos semi-empíricos basados en flujo potencial y las teorías fenomenológicas pertinentes para simular los resultados experimentales. -En diversan condiciones de flujo con ráfagas, la identificación y el análisis de la influencia de los parámetros obtenida a partir de los modelos teóricos desarrollados. -Se proponen estimaciones empíricas para averiguar los valores adecuados de los parámetros que influyente, mediante el ajuste de los resultados experimentales y los predichos teóricamente. Los montajes experimentales se has reakizado en un tunel aerodinamico de circuito abierto, provisto de baja velocidad, cámara de ensayes cerrada, un nuevo concepto de mecanismo generador de ráfaga sinusoidal, diseñado y construido en el Instituto de Microgravedad "Ignacio Da Riva" de la Universidad Politécnica de Madrid, (IDR / UPM). La principal característica de este túnel aerodynamico es la capacidad de generar un flujo con un perfil de velocidad uniforme y una fluctuación sinusoidal en el tiempo. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar el efecto de los flujos no estacionarios en cuerpos romos situados en el suelo. Se han propuesto dos modelos teóricos para diterminar las cargas de presión externas e internas respectivamente. Con el fin de satisfacer la necesidad de la crea ráfagas de viento sinusoidales para comprobar las predicciones de los modelos teóricos, se han obtenido velocidades de hasta 30 m/s y frecuencias ráfaga de hasta 10 Hz. La sección de la cámara de ensayos es de 0,39 m x 0,54 m, dimensiónes adecuadas para llevar a cabo experimentos con modelos de ensayos. Se muestra que en la gama de parámetros explorados los resultados experimentales están en buen acuerdo con las predicciones de los modelos teóricos. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar los efectos del flujo no estacionario, las cuales pueden ayudar a aclarar el fenómeno de las cargas de presión externa sobre los cuerpos romos sometidos a ráfagas de viento: y tambien para determinan las cargas de presión interna, que dependen del tamaño de los orificios de ventilación de la construcción. Por último, se ha analizado la contribución de los términos provenientes del flujo no estacionario, y se han caracterizado o los saltos de presión debido a la pérdida no estacionario de presión a través de los orificios de ventilación. ABSTRACT This Doctoral dissertation has been focused to study the unsteady aerodynamic loads on bluff bodies. To this aim the following points have been identified and analyzed: -Characterization of the flow measured with different types of Pitot tubes and hot wire anemometer at unsteady flow conditions generated by a gust wind tunnel. -Design and integrating of the experimental setups required to measure the internal and external wind loads acting on bluff bodies at gusty wind flow conditions. -Implementation of semi-empirical mathematical models based on potential flow and relevant phenomenological theories to simulate the experimental results.-At various gusty flow conditions, extracting and analyzing the influence of parameters obtained from the developed theoretical models. -Empirical estimations are proposed to find out suitable values of the influencing parameters, by fitting the experimental and theoretically predicted results. The experimental setups are performed in an open circuit, closed test section, low speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” of the Universidad Politécnica de Madrid, (IDR/UPM). The main characteristic of this wind tunnel is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and a sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental tests have been devoted to study the effect of unsteady flows on bluff bodies lying on the ground. Two theoretical models have been proposed to measure the external and internal pressure loads respectively. In order to meet the need of creating sinusoidal wind gusts to check the theoretical model predictions, the gust wind tunnel maximum flow speed and, gust frequency in the test section have been limited to 30 m/s and 10 Hz, respectively have been obtained. The test section is 0.39 m × 0.54 m, which is suitable to perform experiments with testing models. It is shown that, in the range of parameters explored, the experimental results are in good agreement with the theoretical model predictions. Experimental tests have been performed to study the unsteady flow effects, which can help in clarifying the phenomenon of the external pressure loads on bluff bodies under gusty winds: and also to study internal pressure loads, which depend on the size of the venting holes of the building. Finally, the contribution of the unsteady flow terms in the theoretical model has been analyzed, and the pressure jumps due to the unsteady pressure losses through the venting holes have been characterized.

Urban wind energy: empirical optimization of high-rise building roof shape for the wind energy exploitation

El programa Europeo HORIZON2020 en Futuras Ciudades Inteligentes establece como objetivo que el 20% de la energía eléctrica sea generada a partir de fuentes renovables. Este objetivo implica la necesidad de potenciar la generación de energía eólica en todos los ámbitos. La energía eólica reduce drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y evita los riesgos geo-políticos asociados al suministro e infraestructuras energéticas, así como la dependencia energética de otras regiones. Además, la generación de energía distribuida (generación en el punto de consumo) presenta significativas ventajas en términos de elevada eficiencia energética y estimulación de la economía. El sector de la edificación representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La reducción del consumo energético en este área es, por tanto, una prioridad de acuerdo con los objetivos "20-20-20" en eficiencia energética. La Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 sobre el comportamiento energético de edificaciones contempla la instalación de sistemas de suministro energético a partir de fuentes renovables en las edificaciones de nuevo diseño. Actualmente existe una escasez de conocimiento científico y tecnológico acerca de la geometría óptima de las edificaciones para la explotación de la energía eólica en entornos urbanos. El campo tecnológico de estudio de la presente Tesis Doctoral es la generación de energía eólica en entornos urbanos. Específicamente, la optimization de la geometría de las cubiertas de edificaciones desde el punto de vista de la explotación del recurso energético eólico. Debido a que el flujo del viento alrededor de las edificaciones es exhaustivamente investigado en esta Tesis empleando herramientas de simulación numérica, la mecánica de fluidos computacional (CFD en inglés) y la aerodinámica de edificaciones son los campos científicos de estudio. El objetivo central de esta Tesis Doctoral es obtener una geometría de altas prestaciones (u óptima) para la explotación de la energía eólica en cubiertas de edificaciones de gran altura. Este objetivo es alcanzado mediante un análisis exhaustivo de la influencia de la forma de la cubierta del edificio en el flujo del viento desde el punto de vista de la explotación energética del recurso eólico empleando herramientas de simulación numérica (CFD). Adicionalmente, la geometría de la edificación convencional (edificio prismático) es estudiada, y el posicionamiento adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores es propuesto. La compatibilidad entre el aprovechamiento de las energías solar fotovoltaica y eólica también es analizado en este tipo de edificaciones. La investigación prosigue con la optimización de la geometría de la cubierta. La metodología con la que se obtiene la geometría óptima consta de las siguientes etapas: - Verificación de los resultados de las geometrías previamente estudiadas en la literatura. Las geometrías básicas que se someten a examen son: cubierta plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica. - Análisis de la influencia de la forma de las aristas de la cubierta sobre el flujo del viento. Esta tarea se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados obtenidos para la arista convencional (esquina sencilla) con un parapeto, un voladizo y una esquina curva. - Análisis del acoplamiento entre la cubierta y los cerramientos verticales (paredes) mediante la comparación entre diferentes variaciones de una cubierta esférica en una edificación de gran altura: cubierta esférica estudiada en la literatura, cubierta esférica integrada geométricamente con las paredes (planta cuadrada en el suelo) y una cubierta esférica acoplada a una pared cilindrica. El comportamiento del flujo sobre la cubierta es estudiado también considerando la posibilidad de la variación en la dirección del viento incidente. - Análisis del efecto de las proporciones geométricas del edificio sobre el flujo en la cubierta. - Análisis del efecto de la presencia de edificaciones circundantes sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las contribuciones de la presente Tesis Doctoral pueden resumirse en: - Se demuestra que los modelos de turbulencia RANS obtienen mejores resultados para la simulación del viento alrededor de edificaciones empleando los coeficientes propuestos por Crespo y los propuestos por Bechmann y Sórensen que empleando los coeficientes estándar. - Se demuestra que la estimación de la energía cinética turbulenta del flujo empleando modelos de turbulencia RANS puede ser validada manteniendo el enfoque en la cubierta de la edificación. - Se presenta una nueva modificación del modelo de turbulencia Durbin k — e que reproduce mejor la distancia de recirculación del flujo de acuerdo con los resultados experimentales. - Se demuestra una relación lineal entre la distancia de recirculación en una cubierta plana y el factor constante involucrado en el cálculo de la escala de tiempo de la velocidad turbulenta. Este resultado puede ser empleado por la comunidad científica para la mejora del modelado de la turbulencia en diversas herramientas computacionales (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - La compatibilidad entre las energías solar fotovoltaica y eólica en cubiertas de edificaciones es analizada. Se demuestra que la presencia de los módulos solares provoca un descenso en la intensidad de turbulencia. - Se demuestran conflictos en el cambio de escala entre simulaciones de edificaciones a escala real y simulaciones de modelos a escala reducida (túnel de viento). Se demuestra que para respetar las limitaciones de similitud (número de Reynolds) son necesarias mediciones en edificaciones a escala real o experimentos en túneles de viento empleando agua como fluido, especialmente cuando se trata con geometrías complejas, como es el caso de los módulos solares. - Se determina el posicionamiento más adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores tomando en consideración la velocidad e intensidad de turbulencia del flujo. El posicionamiento de aerogeneradores es investigado en las geometrías de cubierta más habituales (plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica). - Las formas de aristas más habituales (esquina, parapeto, voladizo y curva) son analizadas, así como su efecto sobre el flujo del viento en la cubierta de un edificio de gran altura desde el punto de vista del aprovechamiento eólico. - Se propone una geometría óptima (o de altas prestaciones) para el aprovechamiento de la energía eólica urbana. Esta optimización incluye: verificación de las geometrías estudiadas en el estado del arte, análisis de la influencia de las aristas de la cubierta en el flujo del viento, estudio del acoplamiento entre la cubierta y las paredes, análisis de sensibilidad del grosor de la cubierta, exploración de la influencia de las proporciones geométricas de la cubierta y el edificio, e investigación del efecto de las edificaciones circundantes (considerando diferentes alturas de los alrededores) sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las investigaciones comprenden el análisis de la velocidad, la energía cinética turbulenta y la intensidad de turbulencia en todos los casos. ABSTRACT The HORIZON2020 European program in Future Smart Cities aims to have 20% of electricity produced by renewable sources. This goal implies the necessity to enhance the wind energy generation, both with large and small wind turbines. Wind energy drastically reduces carbon emissions and avoids geo-political risks associated with supply and infrastructure constraints, as well as energy dependence from other regions. Additionally, distributed energy generation (generation at the consumption site) offers significant benefits in terms of high energy efficiency and stimulation of the economy. The buildings sector represents 40% of the European Union total energy consumption. Reducing energy consumption in this area is therefore a priority under the "20-20-20" objectives on energy efficiency. The Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings aims to consider the installation of renewable energy supply systems in new designed buildings. Nowadays, there is a lack of knowledge about the optimum building shape for urban wind energy exploitation. The technological field of study of the present Thesis is the wind energy generation in urban environments. Specifically, the improvement of the building-roof shape with a focus on the wind energy resource exploitation. Since the wind flow around buildings is exhaustively investigated in this Thesis using numerical simulation tools, both computational fluid dynamics (CFD) and building aerodynamics are the scientific fields of study. The main objective of this Thesis is to obtain an improved (or optimum) shape of a high-rise building for the wind energy exploitation on the roof. To achieve this objective, an analysis of the influence of the building shape on the behaviour of the wind flow on the roof from the point of view of the wind energy exploitation is carried out using numerical simulation tools (CFD). Additionally, the conventional building shape (prismatic) is analysed, and the adequate positions for different kinds of wind turbines are proposed. The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies is also analysed for this kind of buildings. The investigation continues with the buildingroof optimization. The methodology for obtaining the optimum high-rise building roof shape involves the following stages: - Verification of the results of previous building-roof shapes studied in the literature. The basic shapes that are compared are: flat, pitched, shed, vaulted and spheric. - Analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow. This task is carried out by comparing the results obtained for the conventional edge shape (simple corner) with a railing, a cantilever and a curved edge. - Analysis of the roof-wall coupling by testing different variations of a spherical roof on a high-rise building: spherical roof studied in the litera ture, spherical roof geometrically integrated with the walls (squared-plant) and spherical roof with a cylindrical wall. The flow behaviour on the roof according to the variation of the incident wind direction is commented. - Analysis of the effect of the building aspect ratio on the flow. - Analysis of the surrounding buildings effect on the wind flow on the target building roof. The contributions of the present Thesis can be summarized as follows: - It is demonstrated that RANS turbulence models obtain better results for the wind flow around buildings using the coefficients proposed by Crespo and those proposed by Bechmann and S0rensen than by using the standard ones. - It is demonstrated that RANS turbulence models can be validated for turbulent kinetic energy focusing on building roofs. - A new modification of the Durbin k — e turbulence model is proposed in order to obtain a better agreement of the recirculation distance between CFD simulations and experimental results. - A linear relationship between the recirculation distance on a flat roof and the constant factor involved in the calculation of the turbulence velocity time scale is demonstrated. This discovery can be used by the research community in order to improve the turbulence modeling in different solvers (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies on building roofs is demonstrated. A decrease of turbulence intensity due to the presence of the solar panels is demonstrated. - Scaling issues are demonstrated between full-scale buildings and windtunnel reduced-scale models. The necessity of respecting the similitude constraints is demonstrated. Either full-scale measurements or wind-tunnel experiments using water as a medium are needed in order to accurately reproduce the wind flow around buildings, specially when dealing with complex shapes (as solar panels, etc.). - The most adequate position (most adequate roof region) for the different kinds of wind turbines is highlighted attending to both velocity and turbulence intensity. The wind turbine positioning was investigated for the most habitual kind of building-roof shapes (flat, pitched, shed, vaulted and spherical). - The most habitual roof-edge shapes (simple edge, railing, cantilever and curved) were investigated, and their effect on the wind flow on a highrise building roof were analysed from the point of view of the wind energy exploitation. - An optimum building-roof shape is proposed for the urban wind energy exploitation. Such optimization includes: state-of-the-art roof shapes test, analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow, study of the roof-wall coupling, sensitivity analysis of the roof width, exploration of the aspect ratio of the building-roof shape and investigation of the effect of the neighbouring buildings (considering different surrounding heights) on the wind now on the target building roof. The investigations comprise analysis of velocity, turbulent kinetic energy and turbulence intensity for all the cases.

Gust wind tunnel study on ballast pick-up by high-speed trains

This paper describes the experimental setup, procedure, and results obtained, concerning the dynamics of a body lying on a floor, attached to a hinge, and exposed to an unsteady flow, which is a model of the initiation of rotational motion of ballast stones due to the wind generated by the passing of a high-speed train. The idea is to obtain experimental data to support the theoretical model developed in Sanz-Andres and Navarro-Medina (J Wind Eng Ind Aerodyn 98, 772–783, (2010), aimed at analyzing the initial phase of the ballast train-induced-wind erosion (BATIWE) phenomenon. The experimental setup is based on an open circuit, closed test section, low-speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the IDR/UPM. The tunnel’s main characteristic is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental results and theoretical model predictions are in good agreement.

Pedestrian wind comfort: feasibility study of criteria homogenisation

One of the aims of COST C14 action is the assessment and evaluation of pedestrian wind comfort. At present there is no general rule available that is applied across Europe. There are several criteria that have been developed and applied in different countries. These criteria are based on the definition of two independent parameters, a threshold effective wind speed and a probability of exceedence of this threshold speed. The difficulty of the criteria comparison arises from the two-dimensional character of the criteria definition. An effort is being made to compare these criteria, trying both to find commonalities and to clearly identify differences, in order to build up the basis for the next step: to try to define common criteria (perhaps with regional and seasonal variations). The first point is to define clearly the threshold effective wind speed (mean velocity definition parameters: averaging interval and reference height) and equivalence between different ways of defining the threshold effective wind speed (mean wind speed, gust equivalent mean, etc.) in comparable terms (as far as possible). It can be shown that if the wind speed at a given location is defined in terms of a probability distribution, e.g. Weibull function, a given criterion is satisfied by an infinite set of wind conditions, that is, of probability distributions. The criterion parameters and the Weibull function parameters are linked to each other, establishing a set called iso-criteria lines (the locus of the Weibull function parameters that fulfil a given criterion). The relative position of iso-criteria lines when displayed in a suitable two-dimensional plane facilitates the comparison of comfort criteria. The comparison of several wind comfort criteria, coming from several institutes is performed, showing the feasibility and limitations of the method.

On roof geometry for urban wind energy exploitation in high-rise buildings

The European program HORIZON2020 aims to have 20% of electricity produced by renewable sources. The building sector represents 40% of the European Union energy consumption. Reducing energy consumption in buildings is therefore a priority for energy efficiency. The present investigation explores the most adequate roof shapes compatible with the placement of different types of small wind energy generators on high-rise buildings for urban wind energy exploitation. The wind flow around traditional state-of-the-art roof shapes is considered. In addition, the influence of the roof edge on the wind flow on high-rise buildings is analyzed. These geometries are investigated, both qualitatively and quantitatively, and the turbulence intensity threshold for horizontal axis wind turbines is considered. The most adequate shapes for wind energy exploitation are identified, studying vertical profiles of velocity, turbulent kinetic energy and turbulence intensity. Curved shapes are the most interesting building roof shapes from the wind energy exploitation point of view, leading to the highest speed-up and the lowest turbulence intensity.