Nonlinear response to ultrasound of encapsulated microbubbles

The acoustic backscatter of encapsulated gas-filled microbubbles immersed in a weak compressible liquid and irradiated by ultrasound fields of moderate to high pressure amplitudes is investigated theoretically. The problem is formulated by considering, for the viscoelastic shell of finite thickness, an isotropic hyperelastic neo-Hookean model for the elastic contribution in addition to a Newtonian viscous component. First and second harmonic scattering cross-sections have been evaluated and the quantitative influence of the driving pressure amplitude on the harmonic resonance frequencies for different initial equilibrium bubble sizes and for different encapsulating physical properties has been determined. Conditions for optimal second harmonic imaging have been also investigated and some regions in the parameters space where the second harmonic intensity is dominant over the fundamental have been identified. Results have been obtained for albumin, lipid and polymer encapsulating shells, respectively.

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Fenómenos de galope en piezas prismáticas con sección en H

El objetivo de esta Tesis es el estudio sistemático del fenómeno aeroelástico de galope de una viga prismática con sección transversal en H. En particular, se pretende analizar la influencia de determinados parámetros geométricos que definen la geometría de la sección y el efecto del ángulo de ataque de la corriente sobre la estabilidad del fenómeno de oscilación. El interés en el estudio de esta forma de la sección transversal de una viga se basa en el hecho de que, con cierta frecuencia, se sigue utilizando, por su buen comportamiento estructural, en construcciones civiles como tableros y tirantes de puentes de gran longitud, señalizaciones, luminarias y, en general, en grandes estructuras metálicas. Los parámetros geométricos seleccionados para su estudio son tres: el espesor de las dos alas verticales, su porosidad y el espesor de sendas ranuras en la zona de unión entre el alma y las alas de la sección. Inicialmente se han realizado ensayos estáticos en un túnel aerodinámico con objeto de obtener las cargas aerodinámicas y poder aplicar el criterio casi-estático de Glauert - Den Hartog. En estos ensayos, se han medido tanto las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámicas como las distribuciones de presiones en la superficie de la zona central de la sección. Posteriormente, se han realizado ensayos de visualización de flujo, utilizando un túnel de humos, para poder comprender mejor el comportamiento físico del aire alrededor del cuerpo. El estudio estático se ha completado realizando ensayos con PIV, que permiten realizar una medida precisa de la velocidad del campo fluido. Por último, se han realizado ensayos dinámicos en otro túnel aerodinámico con objeto de contrastar la aplicabilidad del criterio casi-estático, la velocidad de inicio de galope y la amplitud de las oscilaciones producidas. Los resultados muestran que el espesor de las alas verticales, aunque modifica apreciablemente la magnitud de las cargas aerodinámicas, no afecta sustancialmente a la estabilidad a galope, mientras que su porosidad sí ejerce un control efectivo que permite reducir este fenómeno e incluso evitarlo, en determinados casos. En todas las situaciones el criterio de Glauert-Glauert - Den Hartog ha resultado ser aplicable y, en ocasiones, más restrictivo que los resultados obtenidos en ensayos dinámicos. La presencia de una ranura en la zona de unión entre el alma y las dos alas, o su combinación con la porosidad en las alas, reduce la intensidad de galope, incrementando la velocidad crítica de su inicio, pero no logra hacer que desaparezca, como se justificará en el desarrollo del trabajo. ABSTRACT Galloping is a type of aeroelastic instability characterized by a large amplitude oscillation at the natural frequency of the structure, producing normal motion to wind. It usually occurs in slender bodies lightly damped at sufficiently high speeds. In this thesis an experimental study has been developed on the galloping instability of a beam with H cross section, which is inscribed in a rectangle with a slender 1: 2. A systematic study has been carried out of the influence of three different geometric parameters on galloping, in the range of 0 to 90° angle of attack of the incoming stream. These parameters are the thickness of the flanges of the section, the porosity of the flanges, the thickness of two slots along the span, in the area between the flange and the central core of the section, and the combination effect of the last two parameters. First of all, static tests have been performed in a wind tunnel to determine the lift and drag forces by using a balance and then the quasi-static stability criterion due to Glauert-Den Hartog has been determined. Later, to better understand and verify the results previously obtained, it has also been tested the pressure distribution on the surface of the model, flow visualization in a second, smoke, wind tunnel, and Particle Image Velocimetry (PIV) study of the flow around the section, in a third tunnel. Finally, dynamic tests have been performed, on a fourth wind tunnel, for determining the amplitude and frequency of the oscillations in each case. The results have been collected in stability diagrams for each geometric parameter studied. These results show that the more critical angles of attack of the stream for galloping behavior are close to 0 and 90º. It has been found that the thickness of the flanges, although changes the galloping behavior on the section, does not reduce it substantially. However, the porosity in the flanges has been proved to be an efficient control mechanism on galloping, and even above 40% porosity, it disappears. The thickness of the slot studied and its combination with the porosity in the flanges in some cases reduces the aerodynamic forces appreciably but fail to prevent galloping at all angles of attack.

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.