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.

Aerodynamic external pressure loads on a semi-circular bluff body under wind gusts

This brief communication concerns the unsteady aerodynamic external pressure loads acting on a semi-circular bluff body lying on a floor under wind gusts and describes the theoretical model, experimental setup, and experimental results obtained. The experimental setup is based on an open circuit, closed test section, low speed wind tunnel, which includes a sinusoidal gust generating mechanism, designed and built at the Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” of the Universidad Politécnica de Madrid (IDR/UPM). Based on the potential flow theory, a theoretical model has been proposed to analyse the problem, and experimental tests have been performed to study the unsteady aerodynamic loads on a semi-circular bluff body. By fitting the theoretical model predictions with the experimental results, influencing parameters of the unsteady aerodynamic loads are ascertained. The values of these parameters can help in clarifying the phenomenon of the external pressure loads on semi-circular bluff body under various gust frequencies. The theoretical model proposed allows the pressure variation to be split into two contributions, a quasi-steady term and an unsteady term with a simple physical meaning

Transport and mixing enhancement in fluid-thermal microsystems

En esta tesis se investiga de forma experimental el transporte pasivo de magnitudes físicas en micro-sistemas con carácter de inmediata aplicación industrial, usando métodos innovadores para mejorar la eficiencia de los mismos optimizando parámetros críticos del diseño o encontrar nuevos destinos de posible aplicación. Parte de los resultados obtenidos en estos experimentos han sido publicados en revistas con un índice de impacto tal que pertenecen al primer cuarto del JCR. Primero de todo se ha analizado el efecto que produce en un intercambiador de calor basado en micro-canales el hecho de dejar un espacio entre canales y tapa superior para la interconexión de los mismos. Esto genera efectos tridimensionales que mejoran la exracción de calor del intercambiador y reducen la caída de presión que aparece por el transcurso del fluido a través de los micro-canales, lo que tiene un gran impacto en la potencia que ha de suministrar la bomba de refrigerante. Se ha analizado también la mejora producida en términos de calor disipado de un micro-procesador refrigerado con un ampliamente usado plato de aletas al implementar en éste una cámara de vapor que almacena un fluido bifásico. Se ha desarrollado de forma paralela un modelo numérico para optimizar las nuevas dimensiones del plato de aletas modificado compatibles con una serie de requerimientos de diseño en el que tanto las dimensiones como el peso juegan un papel esencial. Por otro lado, se han estudiado los fenomenos fluido-dinámicos que aparecen aguas abajo de un cuerpo romo en el seno de un fluido fluyendo por un canal con una alta relación de bloqueo. Los resultados de este estudio confirman, de forma experimental, la existencia de un régimen intermedio, caracterizado por el desarrollo de una burbuja de recirculación oscilante entre los regímenes, bien diferenciados, de burbuja de recirculación estacionaria y calle de torbellinos de Karman, como función del número de Reynolds del flujo incidente. Para la obtención, análisis y post-proceso de los datos, se ha contado con la ayuda de un sistema de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). Finalmente y como adición a este último punto, se ha estudiado las vibraciones de un cuerpo romo producidas por el desprendimiento de torbellinos en un canal de alta relación de bloqueo con la base obtenida del estudio anterior. El prisma se mueve con un movimiento armónico simple para un intervalo de números de Reynolds y este movimiento se transforma en vibración alrededor de su eje a partir de un ciero número de Reynolds. En relación al fluido, el régimen de desprendimiento de torbellinos se alcanza a menores números de Reynolds que en el caso de tener el cuerpo romo fijo. Uniendo estos dos registros de movimientos y variando la relación de masas entre prisma y fluido se obtiene un mapa con diferentes estados globales del sistema. Esto no solo tiene aplicación como método para promover el mezclado sino también como método para obtener energía a partir del movimiento del cuerpo en el seno del fluido. Abstract In this thesis, experimental research focused on passive scalar transport is performed in micro-systems with marked sense of industrial application, using innovative methods in order to obtain better performances optimizing critical design parameters or finding new utilities. Part of the results obtained in these experiments have been published into high impact factor journals belonged to the first quarter of the Journal Citation Reports (JCR). First of all the effect of tip clearance in a micro-channel based heat sink is analyzed. Leaving a gap between channels and top cover, letting the channels communicate each other causes three-dimensional effects which improve the heat transfer between fluid and heat sink and also reducing the pressure drop caused by the fluid passing through the micro-channels which has a great impact on the total cooling pumping power needed. It is also analyzed the enhancement produced in terms of dissipated heat in a micro-processor cooling system by improving the predominantly used fin plate with a vapour chamber based heat spreader which contains a two-phase fluid inside. It has also been developed at the same time a numerical model to optimize the new fin plate dimensions compatible with a series of design requirements in which both size and wight plays a very restrictive role. On the other hand, fluid-dynamics phenomena that appears downstream of a bluff body in the bosom of a fluid flow with high blockage ratio has been studied. This research experimentally confirms the existence of an intermediate regime characterized by an oscillating closed recirculation bubble intermediate regime between the steady closed recirculation bubble regime and the vortex shedding regime (Karman street like regime) as a function of the incoming flow Reynolds number. A particle image velocimetry technique (PIV) has been used in order to obtain, analyze and post-process the fluid-dynamic data. Finally and as an addition to the last point, a study on the vortexinduced vibrations (VIV) of a bluff body inside a high blockage ratio channel has been carried out taking advantage of the results obtained with the fixed square prism. The prism moves with simple harmonic motion for a Reynolds number interval and this movement becomes vibrational around its axial axis after overcoming at definite Reynolds number. Regarding the fluid, vortex shedding regime is reached at Reynolds numbers lower than the previous critical ones. Merging both movement spectra and varying the square prism to fluid mass ratio, a map with different global states is reached. This is not only applicable as a mixing enhancement technique but as an energy harvesting method.

Transverse galloping of two-dimensional bodies having a rhombic cross-section

Transverse galloping is a type of aeroelastic instability characterized by oscillations perpendicular to wind direction, large amplitude and low frequency, which appears in some elastic two-dimensional bluff bodies when they are subjected to an incident flow, provided that the flow velocity exceeds a threshold critical value. Understanding the galloping phenomenon of different cross-sectional geometries is important in a number of engineering applications: for energy harvesting applications the interest relies on strongly unstable configurations but in other cases the purpose is to avoid this type of aeroelastic phenomenon. In this paper the aim is to analyze the transverse galloping behavior of rhombic bodies to understand, on the one hand, the dependence of the instability with a geometrical parameter such as the relative thickness and, on the other hand, why this cross-section shape, that is generally unstable, shows a small range of relative thickness values where it is stable. Particularly, the non-galloping rhombus-shaped prism?s behavior is revised through wind tunnel experiments. The bodies are allowed to freely move perpendicularly to the incoming flow and the amplitude of movement and pressure distributions on the surfaces is measured.

Determination of Maximum Mechanical Energy Efficiency in Energy Galloping Systems

Transverse galloping is a type of aeroelastic instability characterized by large amplitude, low frequency, normal to wind oscillations that appear in some elastic two-dimensional bluff bodies when subjected to a fluid flow, provided that the flow velocity exceeds a threshold critical value. Such an oscillatory motion is explained because of the energy transfer from the flow to the two-dimensional bluff body. The 7 amount of energy that can be extracted depends on the cross section of the galloping prism. Assuming that the Glauert-Den Hartog quasistatic criterion for galloping instability is satisfied in a first approximation, the suitability of a given cross section for energy harvesting is evaluated by analyzing the lateral aerodynamic force coefficient, fitting a function with a power series in tan a (a being the angle of attack) to 10 available experimental data. In this paper, a fairly large number of simple prisms (triangle, ellipse, biconvex, and rhombus cross sections, as well 11 as D-shaped bodies) is analyzed for suitability as energy harvesters. The influence of the fitting process in the energy harvesting efficiency evaluation is also demonstrated. The analysis shows that the more promising bodies are those with isosceles or approximate isosceles cross sections.

Vortex-induced vibrations on bridges : the interaction mechanism in complex sections and a new proposed semi-empirical model

El presente trabajo de investigación se ocupa del estudio de las vibraciones verticales inducidas por vórtices (VIV) en aquellos puentes que, por sus características geométricas y propiedades dinámicas, muestran cierta sensibilidad este tipo de fenómeno aeroelástico. El objeto principal es el análisis del mecanismo de interacción viento-estructura sobre secciones no fuseladas de geometría simple, con objeto de realizar una adecuada caracterización del problema y poder abordar posteriormente el análisis de otras secciones de geometría más compleja, representativas de los principales elementos estructurales de los puentes, como arcos, tableros, torres y pilas. Este aspecto es fundamental durante la fase de diseño del puente, donde deberán tenerse en cuenta también una serie de detalles que pueden influir significativamente su sensibilidad ante problemas aerodinámicos, como la morfología y dimensiones principales de la sección transversal del tablero, la disposición de barreras de seguridad y barreras cortaviento, o las riostras que unen diferentes elementos estructurales. La configuración de dos elementos en tándem o la construcción de un puente en las inmediaciones de otro existente son otros aspectos a considerar respecto a la sensibilidad frente a efectos aeroelásticos. El estudio se ha llevado a cabo principalmente mediante la implementación de simulaciones numéricas que reproducen la interacción entre la corriente de aire y secciones representativas de modelos estructurales, a partir de un código CFD basado en el método de las partículas de vórtices (VPM), siguiendo por tanto un esquema Lagrangiano. Los resultados han sido validados con datos experimentales existentes, valores procedentes de ensayos en túnel de viento y registros reales a partir de diferentes casos de estudio: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans- Tokyo Bay (1995) y Volgogrado (2010). Finalmente, se propone un modelo semi-empírico para la estimación del rango de velocidades críticas y amplitudes de oscilación basado en la utilización de las derivadas de flameo de Scanlan, y la densidad espectral de las fuerzas aerodinámicas en el dominio de la frecuencia. The present research work concerns the study of vertical vortex-induced vibrations (VIV) in bridges which show certain sensitivity to this type of aeroelastic phenomenon. It focuses on the analysis of the wind-structure interaction mechanism on bluff sections, with the objective of making a good characterisation of the problem and subsequently addressing the analysis of sections with a complex geometry, which are representative of the bridge structural elements, such as arches, decks, towers and piers. This issue is of relative importance during the bridge design phase, since minor details of the aforementioned elements can significantly influence its sensitivity to aerodynamic problems. The shape and main dimensions of the deck cross section, the addition of safety barriers and windshields, the presence of braces to enhance the structure mechanical properties, the utilisation of cross sections in tandem arrangement, or the erection of a new bridge in the vicinity of another existing one are some of the aspects to be considered regarding the sensitivity to the aeroelastic effects. The study has been carried out mainly through the implementation of numerical simulations that reproduces the interaction between the airflow and the representative cross section of a structural bridge model, by the use of a CFD code based on the vortex particle method (VPM), thus following a Lagrangian scheme. The results have been validated with existing experimental data, values from wind tunnel tests and full scale observations from the different case studies: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans-Tokyo Bay (1995) and Volgograd (2010). Finally, a new semi-empirical model is proposed for the estimation of the critical wind velocity ranges and oscillation amplitudes based on the use of the Scanlan’s flutter derivatives and the power spectral density of aerodynamic force time history in the frequency domain.