Components of a Wind Tunnel Balance: Design and Calibration

Components of a Wind Tunnel Balance: Design and Calibration

Optimisation of a Low-Speed Wind Tunnel. Analysis and Redesign of Corner Vanes.

This paper includes the experimental study, analysis, redesign and subsequent test of the parts of a closed circuit, low speed wind tunnel which are relevant in terms of total pressure loss. The objective is to lower the energy consumption of this system for given conditions in test chamber, so as to reduce the operational costs. In order to achieve this objective, several tasks were performed as the text shows in its different parts. For these tasks, the ETSIAE wind tunnel was used, although the results of this work can be extrapolated to any wind tunnel with the same characteristics. Part II presents a theoretical previous study of the general running of a closed circuit, low speed wind tunnel, as well as the followed procedure to conduct experimental tests for obtaining the total pressure loss in its parts. Results from these tests and their analysis are included in this part. In part III, the analysis of the influence of corner 1 on the pressure loss takes place. As it is said in this part, corner 1 has great importance in the total pressure loss of the wind tunnel. Therefore, it is the first part that should be modified in order to improve the performances of the wind tunnel. During part IV, an optimised guide vane is designed in order to reduce the pressure loss in corner 1 of the wind tunnel. Software MISES is used to achieve this goal by means of selecting the optimum guide vane. In order to introduce the new guide vane in wind tunnels with affordable costs, the easily constructable criterion is kept during design. For this reason, the guide vane will consist of simple aerodynamic contours. Part V includes some possible improvements for the proposed guide vane, in order to evaluate if there is room for improvement in its design. Finally, part VI includes the tests that were conducted in the wind tunnel with the new guide vane cascade and the analysis of their results, in order to asses whether the proposed design fulfills the requirement of lowering the total pressure loss in the wind tunnel. Part VII gathers the main ideas resulting from the whole work.

Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

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

La ciudad y el viento : la morfología urbana y su relación con el uso estancial del espacio público abierto en territorios con vientos fuertes y climas fríos : el caso de la ciudad de Punta Arenas, región de Magallanes, Chile

El presente trabajo ahonda en el conocimiento del viento urbano. La investigación pasa revista a la historia de la relación del viento y la ciudad y revisa tres pares de disciplinas implicadas en comprender mejor dicha relación: la arquitectura y el urbanismo, la meteorología y la climatología y, por último, la ingeniería aeroespacial y la aerodinámica civil. Se estudian el comportamiento y la fluidez del viento al desplazarse por cuerpos romos no fuselados (los edificios y la trama urbana), así como sus efectos dentro de la ciudad. Asimismo, se examinan las metodologías existentes para comprenderlo, medirlo y analizarlo, desde los estudios de proporción y modelamiento en túneles de viento hasta las simulaciones virtuales y las dinámicas de fluidos CFD. Posteriormente se reconoce un caso de estudio que permite analizar el viento como un factor aislado, pero desde los parámetros morfológicos de una ciudad en la que se generan patrones aerodinámicos muy característicos: Punta Arenas, la ciudad más austral del mundo, donde los vientos corren casi siempre desde la misma dirección, el “oeste”, a más de 33,3 m/s, lo que equivale a 120 Km/h. La hipótesis de la investigación es que la morfología del casco histórico de Punta Arenas genera patrones aerodinámicos que condicionan el bienestar en los espacios públicos. El objetivo general de la investigación es estudiar los efectos aerodinámicos presentes en la morfología urbana para mejorar la permanencia en los espacios públicos, proponiendo estrategias para el desarrollo morfológico y volumétrico de los cuerpos edificados. En el desarrollo del caso de estudio se reconocen, al interior del cañón urbano, las temperaturas, los índices de asoleamiento y sus conos de sombra, la dirección del viento y la visualización del vórtice al interior del cañón urbano, para determinar cómo estos factores impactan en el espacio público. Las conclusiones indican que los patrones aerodinámicos presentes en la morfología urbana conducen el viento hacia los espacios públicos que se encuentran o desprotegidos del viento o con excesiva turbulencias, por tanto, los patrones aerodinámicos inciden en el uso estancial de los espacios públicos, generando problemas mecánicos al peatón e incidiendo en la sensación térmica en dichos espacios. Ello permite confirmar que es posible modificar y mejorar el uso de los espacios públicos si somos capaces de modelar la morfología urbana con el fin de reorientar los patrones aerodinámicos que afectan significativamente a dichos espacios. ABSTRACT This work deepens into the knowledge of urban wind. The study reviews the history of the relationship between the wind and the city and reviews three pairs of disciplines involved in understanding better these relationship: Architecture and Urbanism, Meteorology and Climatology and, finally, Aerospace and Civil Aerodynamics. The behavior and flow of wind through blunt bodies not fairings (the buildings and the urban fabric) and its effects within the city are studied. Also, existing methodologies to understand, measure and analyze the wind are examined, from the studios of proportion and modeling in wind tunnels to virtual simulations and fluid dynamics CFD. Subsequently, a case study to analyze the wind as an isolated factor is recognized, but from the morphological parameters of a city where very characteristic aerodynamic patterns are generated: Punta Arenas, the southernmost city in the world, where the winds run almost always from the same direction, the "West", at more than 33.3 m/s, which is equivalent to 120 km/h. The research hypothesis is that the morphology of the historic center of Punta Arenas generates aerodynamic patterns that determine the well-being in public spaces. The overall objective of the research is to study the aerodynamic effects present in the urban morphology to improve retention in public spaces, proposing strategies for morphological and volumetric development of the built bodies. In developing the case study are recognized, within the urban canyon, temperatures, rates of sunlight and shadow cones, wind direction and visualization of the vortex into the urban canyon, to determine how these factors impact in public space. The findings indicate that the aerodynamic patterns in urban morphology lead wind to public spaces that are unprotected or find themselves in a condition of excessive wind or turbulence; therefore, aerodynamic patterns affect the use of public spaces, generating mechanical problems for pedestrians and affecting the thermal sensation in such spaces. This confirms that it is possible to modify and improve the use of public spaces if we are able to model the urban morphology in order to reorient the aerodynamic patterns that significantly affect those spaces.

On the Analytical Approach to Present Engineering Problems: Photovoltaic Systems Behavior, Wind Speed Sensors Performance, and High-Speed Train Pressure Wave Effects in Tunnels

At present, engineering problems required quite a sophisticated calculation means. However, analytical models still can prove to be a useful tool for engineers and scientists when dealing with complex physical phenomena. The mathematical models developed to analyze three different engineering problems: photovoltaic devices analysis; cup anemometer performance; and high-speed train pressure wave effects in tunnels are described. In all cases, the results are quite accurate when compared to testing measurements.

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.