DNS of a hot-wire anemometer in a turbulent channel flow

A body with a shape similar to a hot wire with its sheath, but no prongs, has been placed close to the wall of a turbulent channel at Re_tau = 600. The results of the channel flow, without the wire, agree with previous published ones, despite the modest resolution and domain size. A simplified, two-dimensional version of the wire at the same Reynolds number has been studied to compare the dynamic response of cold and hot wires, where a slightly bigger perturbation is seen in the hot case, but an almost identical dynamic response. The cold wire seems to be able to measure instantaneous velocity with total drag after proper calibration. Being a DNS, the complete description of the flow field around the wire is obtained.

On the onset of turbulence in natural convection on inclined plates

The problem of determination of the turbulence onset in natural convection on heated inclined plates in an air environment has been experimentally revisited. The transition has been detected by using hot wire velocity measurements. The onset of turbulence has been considered to take place where velocity fluctuations (measured through turbulence intensity) start to grow. Experiments have shown that the onset depends not only on the Grashof number defined in terms of the temperature difference between the heated plate and the surrounding air. A correlation between dimensionless Grashof and Reynolds numbers has been obtained, fitting quite well the experimental data.

Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Reproducing the Bolund experiment in wind tunnel

The Bolund experiment has been reproduced in a neutral boundary layer wind tunnel (WT) at scale 1:115 for two Reynolds numbers. All the results have been obtained for an incoming flow from the 270o wind direction (transect B in the Bolund experiment jargon). Vertical scans of the velocity field are obtained using non-time resolved two components particle image velocimetry. Time-resolved velocity time series with a three component hot-wire probe have been also measured for transects at 2 and 5 m height and in the vertical transects at met masts M6, M3 and M8 locations. Special attention has been devoted to the detailed characterization of the inflow in order to reduce uncertainties in future comparisons with other physical and numerical simulations. Emphasis is placed on the analysis of spectral functions of the undisturbed flow and those of the flow above the island. The result?s reproducibility and trustworthiness have been addressed through redundancy measurements using particle image velocimetry, two and three components hot-wire anemometry. The bias in the prediction of the mean speed is similar to the one reported during the Bolund experiment by the physical modellers. However, certain reduction of the bias in the estimation of the turbulent kinetic energy is achieved. TheWT results of spectra and cosprectra have revealed a behaviour similar to the full-scale measurements in some relevant locations, showing that WT modelling can contribute to provide valid information about these important structural loading factors.

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.

Aerodinámica experimental de elementos de parques energéticos

La creciente demanda de energía eléctrica y la necesidad de implementar energías no contaminantes hace que las llamadas tecnologías verdes sean cada día más solicitadas. Entre estas tecnologías encontramos la energía solar y la energía eólica; ambas tienen una trayectoria de uso e investigación bastante amplia, sin embargo aún presentan problemas de fondo que impiden dar mayor impulso a su uso. El objetivo de la presente tesis es presentar soluciones a problemas de optimización en campos conversores de energía. Para ello se analizan y resuelven dos problemas por medio de técnicas de aerodinámica experimental: el primero sobre campos de colectores solares y el segundo sobre campos eólicos. Las técnicas de medición utilizadas en aerodinámica, y en el presente trabajo, son: medición de cargas, anemometría de hilo caliente, velocimetría por imagen de partículas y escaneo de presiones; además de un análisis estadístico de los datos. En el primer caso se ensayan experimentalmente colectores solares parabólicos en donde, por cuestiones de seguridad o por protección contra el viento, se utilizan cercas. Éstas modifican el comportamiento del flujo corriente abajo y se ha encontrado que la distancia a la cual se colocan, así como el tipo de cercas (sólida o permeable), modifican las cargas estructurales a las que los colectores están expuestos. Los resultados demuestran que existe una distancia crítica en la cual la presencia de la cerca aumenta la carga en lugar de disminuirla, por lo cual la selección adecuada del parapeto y la distancia a la cual se coloca son de suma importancia para la optimización de la estructura. En el segundo caso se ensaya experimentalmente y simula numéricamente la estela de turbinas eólicas por medio de discos porosos. En donde un disco permeable simula el rotor de una turbina. El disco es capaz de semejar la estela y los efectos que ésta puede causar corriente abajo. Los resultados muestran que seleccionando adecuadamente la porosidad, es posible simular coeficientes de empuje similares a los desarrollados por los aerogeneradores, además la estela y sus efectos son semejantes a los medidos en campo. ABSTRACT The called green energy technologies are increasingly required because of the growing demand for electricity and the need to implement nonpolluting energy. Among the green energy technologies it is found the solar and the wind energy, both have a history of use and fairly extensive research; however they still have problems which limit to give them further impetus to its use. The aim of this thesis is to present solutions to optimization problems in energy harvesting. To this end it is analysed, and solved, two problems by means of techniques in experimental aerodynamics: the first issue with regard to parabolic troughs and the second about wind farms. The measurement techniques commonly used in aerodynamics, and used in this research work, are: measurement of loads, hot wire anemometry, particle image velocimetry and scanning of pressures; where data are collected and then an statistical analysis is done. In the first case it is tested parabolic troughs where, either for security reasons or protection against the wind actions, fences are used. These fences modify the behaviour of flow downstream and it was found that the distance at which they are placed, and the type of fences (solid or permeable) modify the structural loads to which the parabolic troughs are exposed. The results show that there is a critical distance at which the presence of the fence increases the load instead of protecting the parabolic trough, hence making the proper selection of the parapet and the distance at which it stands are paramount for the optimization of the structure. In the second case it is tested, experimentally and numerically, the wake of wind turbines by means of porous disks; where the permeable disc simulates a turbine rotor. The disc is able to mimic the wake and the effects that it can cause downstream. The results show that by properly selecting the porosity, it is possible to simulate drag coefficients similar to those developed by wind turbines; moreover the porous disk wake and its effects are similar to those measured on field.