Influencia del viento transversal en sistemas ferroviarios = Cross-wind effects on railway infrastructure

El viento, como factor medio-ambiental, ha sido objeto de numerosos estudios por los efectos que induce tanto en vehículos como en estructuras. Dentro del ámbito ferroviario, las cargas aerodinámicas debidas a la acción del viento transversal pueden poner en compromiso la seguridad de los vehículos en circulación, pudiendo llegar a ocasionar el vuelco del mismo. Incluso el sistema de cables encargado de realizar el suministro eléctrico necesario para la tracción del tren, conocido como catenaria, es sensible a la acción del viento. De hecho, al igual que ocurre en ciertas estructuras de cables, la interacción entre las fuerzas aerodinámicas no estacionarias y la catenaria puede ocasionar la aparición de oscilaciones de gran amplitud debido al fenómeno de galope. Una forma sencilla de reducir los efectos no deseados de la acción del viento, es la instalación de barreras cortavientos aguas arriba de la zona que se desea proteger. La instalación de estos dispositivos, reduce la velocidad en la estela generada, pero también modifica las propiedades del flujo dentro de la misma. Esta alteración de las condiciones del flujo puede contribuir a la aparición del fenómeno de galope en estructuras caracterizadas por su gran flexibilidad, como la catenaria ferroviaria. Estos dos efectos contrapuestos hacen evidente la importancia de mantener cierta visión global del efecto introducido por la instalación de barreras cortavientos en la plataforma ferroviaria. A lo largo de este documento, se evalúa desde un enfoque multidisciplinar el efecto inducido por las barreras cortavientos en varios subsistemas ferroviarios. Por un lado se analizan las mejoras en la estabilidad lateral del vehículo mediante una serie de ensayos en túnel de viento. La medición de la distribución de presiones en la superficie de un modelo bidimensional de vehículo ferroviario proporciona una buena estimación del nivel de protección que se consigue en función de la altura de una barrera cortavientos. Por otra parte, se analiza la influencia del mismo juego de barreras cortavientos en las características del flujo situado sobre la plataforma ferroviaria, mediante la utilización de anemometría de hilo caliente (HWA) y velocimetría de imágenes de párticulas (PIV). En particular se centra la atención en las características en la posición correspondiente a los hilos conductores de la catenaria. En la última parte del documento, se realiza un análisis simplificado de la aparición oscilaciones en la catenaria, por el efecto de la inestabilidad de galope. La información obtenida sobre las características del flujo se combinan con las propiedades aerodinámicas del hilo de contacto, obtenidas en mediante una serie de ensayos en túnel de viento. De esta manera se realiza una evaluación del riesgo a la aparición de este tipo de inestabilidad aeroeslástica aplicada a una catenaria ferroviaria situada sobre un viaducto tipo. ABSTRACT Wind as an environmental factor may induce undesirable effects on vehicles and structures. The analysis of those effects has caught the attention of several researchers. Concerning the railway system, cross-wind induces aerodynamic loads on rolling stock that may increase the overturning risk of the vehicle, threatening its safe operation. Even the cable system responsible to provide the electric current required for the train traction, known as the railway overhead or catenary, is sensitive to the wind action. In fact, the interaction between the unsteady aerodynamic forces and the railway overhead may trigger the development of undamped oscillations due to galloping phenomena. The inclusion of windbreaks upstream the area that needs wind protection is a simple mean to palliate the undesirable effects caused by the wind action. Although the presence of this wind protection devices reduces the wind speed downstream, they also modify the flow properties inside their wake. This modification on the flow characteristics may ease the apparition of the galloping phenomena on flexible structures, such as the railway overhead. This two opposite effects require to maintain a global perspective on the analysis of the influence of the windbreak presence. In the present document, a multidisciplinary analysis on the effect induced by windbreaks on several railways subsystems is conducted. On the one hand, a set of wind tunnel tests is conducted to assess the improvement on the rolling stock lateral stability. The qualitative estimation of the shelter effect, as function of the windbreak height, is established through the pressure distribution measured on the surface of a two-dimensional train model. On the other hand, the flow properties above the railway platform are assessed using the same set of windbreaks. Two experimental techniques are used to measure the flow properties, hot-wire anemometry (HWA) and particle image velocimetry (PIV). In particular, the attention is focused on the flow characteristics on the contact wire location. A simplified analysis on the catenary oscillations due to galloping phenomena is conducted in the last part of the document. Both, the flow characterization performed via PIV and the aerodynamic properties of the contact wire cross-section are combined. In this manner, the risk of the aeroelastic instabilities on a railway overhead placed on a railway bridge is assessed through a practical application.

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.

Power-frequency control of hydropower plants with long penstocks in isolated systems with wind generation

In this paper the power-frequency control of hydropower plants with long penstocks is addressed. In such configuration the effects of pressure waves cannot be neglected and therefore commonly used criteria for adjustment of PID governors would not be appropriate. A second-order Π model of the turbine-penstock based on a lumped parameter approach is considered. A correction factor is introduced in order to approximate the model frequency response to the continuous case in the frequency interval of interest. Using this model, several criteria are analysed for adjusting the PI governor of a hydropower plant operating in an isolated system. Practical criteria for adjusting the PI governor are given. The results are applied to a real case of a small island where the objective is to achieve a generation 100% renewable (wind and hydro). Frequency control is supposed to be provided exclusively by the hydropower plant. It is verified that the usual criterion for tuning the PI controller of isolated hydro plants gives poor results. However, with the new proposed adjustment, the time response is considerably improved

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Frequency control support of a wind-solar isolated system by a hydropower plant with long tail-race tunnel

Pumped storage hydro plants (PSHP) can provide adequate energy storage and frequency regulation capacities in isolated power systems having significant renewable energy resources. Due to its high wind and solar potential, several plans have been developed for La Palma Island in the Canary archipelago, aimed at increasing the penetration of these energy sources. In this paper, the performance of the frequency control of La Palma power system is assessed, when the demand is supplied by the available wind and solar generation with the support of a PSHP which has been predesigned for this purpose. The frequency regulation is provided exclusively by the PSHP. Due to topographic and environmental constraints, this plant has a long tail-race tunnel without a surge tank. In this configuration, the effects of pressure waves cannot be neglected and, therefore, usual recommendations for PID governor tuning provide poor performance. A PI governor tuning criterion is proposed for the hydro plant and compared with other criteria according to several performance indices. Several scenarios considering solar and wind energy penetration have been simulated to check the plant response using the proposed criterion. This tuning of the PI governor maintains La Palma system frequency within grid code requirements.

Train-induced pressure on pedestrians

A simple analytical model for the train-induced flow and its effects on pedestrians is presented in this paper. The expressions developed for the induced air velocity and pressure on the pedestrian surface, as well as their dependence with time, are obtained from unsteady potential theory. The relevant parameters and their effects are analysed, in particular the sensitivity of the pressure coefficient and its rate of change on the train and pedestrian transverse size, the distance to the tracks and the pressure measurement location on the pedestrian surface. In spite of the extreme simplicity of the model and the expressions obtained, good correlation is observed with previously existing experiments. With this work, an absence of published studies concerning analytical approaches to the problem of vehicle-induced pressure on pedestrians is intended to be covered, allowing for simplified testing procedures.

Identifying wind power ramp causes from multivariate datasets: a methodological proposal and its application to reanalysis data.

Forecasting abrupt variations in wind power generation (the so-called ramps) helps achieve large scale wind power integration. One of the main issues to be confronted when addressing wind power ramp forecasting is the way in which relevant information is identified from large datasets to optimally feed forecasting models. To this end, an innovative methodology oriented to systematically relate multivariate datasets to ramp events is presented. The methodology comprises two stages: the identification of relevant features in the data and the assessment of the dependence between these features and ramp occurrence. As a test case, the proposed methodology was employed to explore the relationships between atmospheric dynamics at the global/synoptic scales and ramp events experienced in two wind farms located in Spain. The achieved results suggested different connection degrees between these atmospheric scales and ramp occurrence. For one of the wind farms, it was found that ramp events could be partly explained from regional circulations and zonal pressure gradients. To perform a comprehensive analysis of ramp underlying causes, the proposed methodology could be applied to datasets related to other stages of the wind-topower conversion chain.