Modelado y análisis del comportamiento hidro-elástico de rotores para DAECS

La transformación de la energía cinética del mar en una fuente renovable de energía eléctrica podría ser un hecho relevante desde el punto de visto tecnológico en un futuro cercano. En el campo de las energías renovables marinas, las turbinas de corrientes de eje horizontal son posiblemente el dispositivo más adecuado para la obtención de electricidad. Las técnicas de cálculo existentes en la actualidad para obtener las distribuciones de cargas a las que está sometida una pala de una turbina de corrientes son las siguientes: Modelos de disco actuador, Método de líneas sustentadoras y método de elementos finitos. Estas técnicas presentan ciertas dificultades para su implementación y obtención de resultados preliminares, ya que entrañan gran complejidad conceptual y su entendimiento no resulta sencillo ni tampoco elaborar procedimientos de cálculo que se puedan utilizar durante la fase de diseño conceptual o básico de una turbina. En este trabajo, se analizarán los conceptos físicos y matemáticos que intervienen en el funcionamiento de una turbina de corrientes, para confeccionar un método o procedimiento de cálculo que sea relativamente intuitivo y sencillo de manejar. Esta herramienta de cálculo permitirá obtener resultados para el diseño básico, y también puede ser un punto de partida para manejar otras herramientas de cálculo más avanzadas ya que los principios fundamentales son los mismos. En la parte final del trabajo se aplicarán las ecuaciones obtenidas a varios casos reales de turbinas de corrientes. ABSTRACT Transforming the kinetic energy of the sea into renewable useful source electricity could be a relevant technologic development in the near future. In this field, marine horizontal axis turbines (HAT) are possibly, the most important devices. The current calculation techniques used to obtain the acting forces or loads in the marine current horizontal axis rotor blades: Actuator disc models, lifting lines and finite element method, have certain disadvantages which lead difficulties to obtain relatively quick results, in addition, these methods are not easy to understand and mastering, and furthermore, complex computing tools are required to obtain results. In the present work, the common physical and mathematic fundamentals will be studied and analyzed with the aim to create a new easier managing calculating tool. The proposed procedure of this document can be considered as a help towards to calculate preliminary solutions easier, and also a starting point to manage physical ideas which could be used with other calculation tools. And finally, the mathematic fundamentals will be explained and the implementation of the equations in a real case. Nevertheless, due to the real complexity of the problem, the assumed simplifications of this model must be taken into account, in order to know the possible calculating limitations of this procedure and consequently use it correctly.

Ingeniería de máquinas : discurso de ingreso [en la Real Academia de Ingeniería] del Excmo. Sr. D. Jaime Domínguez Abascal y contestación del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez

En el discurso se reivindica el papel actual de la ingeniería mecánica como impulsora del desarrollo de las máquinas. Comienza con una breve exposición de la evolución de las máquinas a lo largo de la historia y su influencia en el desarrollo económico y social. Igualmente, señala la importancia de otras áreas de la ingeniería en el desarrollo de las máquinas actuales y el carácter multidisciplinar del diseño y desarrollo de las máquinas actuales. Ante la nueva situación, el discurso analiza el papel que desempeña actualmente la ingeniería de máquinas. Asimismo, comprueba que la aportación de otras disciplinas ha llevado a la concepción de máquinas con soluciones, más eficientes y eficaces, que requieren nuevos avances de la ingeniería de máquinas. Finalmente, se muestran diversos ejemplos significativos de los avances requeridos para el diseño de las máquinas actuales, entre los que destacan los relativos al análisis dinámico y a la fatiga. Entre los problemas dinámicos, se analizan los casos del comportamiento de sistemas multicuerpos con holgura o sujetos a impactos, y la detección de grietas en rotores mediante la medida de vibraciones. Del análisis del comportamiento a fatiga, se destaca la importancia de la aplicación conjunta de la mecánica de la fractura y el método de las deformaciones locales, especialmente para el análisis del comportamiento de grietas microestructuralmente pequeñas.

Asymptotic and computational analysis of mistuning effects on the dynamics of bladed disks

Es bien conocido que las pequeñas imperfecciones existentes en los álabes de un rótor de turbomaquinaria (conocidas como “mistuning”) pueden causar un aumento considerable de la amplitud de vibración de la respuesta forzada y, por el contrario, tienen típicamente un efecto beneficioso en el flameo del rótor. Para entender estos efectos se pueden llevar a cabo estudios numéricos del problema aeroelástico completo. Sin embargo, el cálculo de “mistuning” usando modelos de alta resolución es una tarea difícil de realizar, ya que los modelos necesarios para describir de manera precisa el componente de turbomáquina (por ejemplo rotor) tienen, necesariamente, un número muy elevado de grados de libertad, y, además, es necesario hacer un estudio estadístico para poder explorar apropiadamente las distribuciones posibles de “mistuning”, que tienen una naturaleza aleatoria. Diferentes modelos de orden reducido han sido desarrollados en los últimos años para superar este inconveniente. Uno de estos modelos, llamado “Asymptotic Mistuning Model (AMM)”, se deriva de la formulación completa usando técnicas de perturbaciones que se basan en que el “mistuning” es pequeño. El AMM retiene sólo los modos relevantes para describir el efecto del mistuning, y permite identificar los mecanismos clave involucrados en la amplificación de la respuesta forzada y en la estabilización del flameo. En este trabajo, el AMM se usa para estudiar el efecto del “mistuning” de la estructura y de la amortiguación sobre la amplitud de la respuesta forzada. Los resultados obtenidos son validados usando modelos simplificados del rotor y también otros de alta definición. Además, en el marco del proyecto europeo FP7 "Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)", el AMM se aplica para diseñar distribuciones de “mistuning” intencional: (i) una que anula y (ii) otra que reduce a la mitad la amplitud del flameo de un rotor inestable; y las distribuciones obtenidas se validan experimentalmente. Por último, la capacidad de AMM para predecir el comportamiento de flameo de rotores con “mistuning” se comprueba usando resultados de CFD detallados. Abstract It is well known that the small imperfections of the individual blades in a turbomachinery rotor (known as “mistuning”) can cause a substantial increase of the forced response vibration amplitude, and it also typically results in an improvement of the flutter vibration characteristics of the rotor. The understanding of these phenomena can be attempted just by performing numerical simulations of the complete aeroelastic problem. However, the computation of mistuning cases using high fidelity models is a formidable task, because a detailed model of the whole rotor has to be considered, and a statistical study has to be carried out in order to properly explore the effect of the random mistuning distributions. Many reduced order models have been developed in recent years to overcome this barrier. One of these models, called the Asymptotic Mistuning Model (AMM), is systematically derived from the complete bladed disk formulation using a consistent perturbative procedure that exploits the smallness of mistuning to simplify the problem. The AMM retains only the essential system modes that are involved in the mistuning effect, and it allows to identify the key mechanisms of the amplification of the forced response amplitude and the flutter stabilization. In this work, AMM methodolgy is used to study the effect of structural and damping mistuning on the forced response vibration amplitude. The obtained results are verified using a one degree of freedom model of a rotor, and also high fidelity models of the complete rotor. The AMM is also applied, in the frame of the European FP7 project “Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)”, to design two intentional mistuning patterns: (i) one to complete stabilize an unstable rotor, and (ii) other to approximately reduce by half its flutter amplitude. The designed patterns are validated experimentally. Finally, the ability of AMM to predict the flutter behavior of mistuned rotors is checked against numerical, high fidelity CFD results.

Diseño de un cuadricóptero de bajo coste basado en herramientas de software libre

El presente proyecto tiene como objetivo la realización de un cuadricóptero de bajo coste desarrollado con herramientas de software libre, con el fin de permitir el acceso y modificación del mismo a cualquiera que posea los conocimientos necesarios. Los cuadricópteros se definen como un vehículo aéreo no tripulado con cuatro rotores en los extremos. Los ejemplos existentes de estos tipos de vehículos son casi siempre de grandes cuadricópteros, los cuales utilizan diferentes tecnologías en los motores y control de los mismos. Los cuadricópteros de similar tamaño al que se pretende realizar son por lo general de compañías con hardware y software cerrado. En el caso de este proyecto se ha realizado un cuadricóptero de tamaño menor a 5 x 5 cm. La innovación que se propone con este proyecto es una forma de detectar obstáculos para cuadricópteros de tamaño similar, en los que la limitación del peso del dron supone una disminución de las opciones disponibles. Se desea que el cuadricóptero sea capaz de realizar un vuelo estable detectando y esquivando obstáculos sin necesidad de ayuda externa como operadores con mando de radio frecuencia. Para la creación del cuadricóptero, se ha realizado tanto el diseño de los esquemáticos como el diseño de las huellas para la utilización en el desarrollo de la PCB. Para ello se ha hecho uso de herramientas de software libre como es Kicad, software para el desarrollo de esquemáticos y placas de circuito impreso con las funcionalidades principales de cualquier software privativo relacionado. Se pretende de esta forma aportar a la literatura, un aspecto práctico de la realización de cuadricópteros, tanto desde los aspectos teóricos del diseño como los aspectos prácticos de la fabricación y soldadura de los componentes del cuadricóptero. En la realización del presente proyecto se ha tenido en cuenta los diferentes algoritmos que existen para la fusión de datos de la unidad de medida inercial, tanto la facilidad de implementación de los mismos como la facilidad de los cálculos resultantes de esta implementación. Se ha hecho una implementación de un filtro complementario, dando resultados satisfactorios debido a las características intrínsecas de la unidad de medida inercial. Además del filtro complementario, se ha realizado una implementación del filtro diseñado por Sebastian Madgwick [1]. Este filtro está especialmente diseñado para la fusión de los datos provenientes de la unidad de medida inercial, proporcionando la orientación del sistema haciendo uso de la representación en cuaternios de los datos del acelerómetro y giróscopo, permitiendo el uso del método del gradiente para el cálculo del error del giróscopo. Para la selección de los componentes, se ha hecho un análisis pormenorizado de las diferentes opciones disponibles, tomando como punto de partida los cuadricópteros que existen en la actualidad. Se han elegido estos componentes en función de las características de los mismos, prestando especial atención al tamaño, relacionado directamente con el peso de los mismos así como del precio, para lograr un cuadricóptero fácilmente reproducible de bajo coste. En este análisis se ha tenido en cuenta las dificultades existentes en la selección de determinados componentes como son los motores y las hélices. Al ser estos dos componentes caracterizados mediante tablas creadas por los fabricantes y usuarios de los mismos, la selección de los mismos se ha visto dificultada a la hora de elegir componentes de coste reducido al poseer poca información sobre los mismos. En especial, las formulas desarrolladas para el cálculo del empuje de los motores están directamente relacionados con los parámetros de las hélices. Estos parámetros están caracterizados para la mayoría de las hélices comerciales utilizadas en cuadricópteros. Para caracterizar las hélices se utiliza un banco de trabajo en donde es posible medir el empuje realizado por el conjunto del motor y hélice. En el caso del presente proyecto, no se disponía de la herramienta necesaria por lo que se ha realizado una estimación de los parámetros en función de las tablas disponibles para hélices similares de mayor tamaño. Para la elección de los sensores para la detección de los obstáculos se ha realizado un estudio de los diferentes sensores disponibles, analizando las ventajas y desventajas de los mismos para la elección del más adecuado para el proyecto. Se ha decidido el uso de sensores de distancia basados en tecnología infrarroja por ser los únicos que se adaptan a los requisitos de peso impuesto por el modelo. Además en este proyecto se ha realizado el montaje y soldadura de los componentes de la PCB. Estos componentes al ser de tamaño reducido, se ha comprobado que para la soldadura de los mismos es necesario el uso de herramientas especializadas, como puede ser estaciones de soldadura y pistola de aire caliente lo que dificulta su soldadura de manera no profesional. Al término de este proyecto se ha comprobado la dificultad de la realización de una correcta soldadura de los componentes, lo que introduce errores de conectividad entre los componentes, en concreto se ha detectado errores entre el microprocesador y unidad de medida inercial. Además de estos errores, se ha comprobado la dificultad de regular el sistema, no logrando un vuelo estable en el tiempo de escritura del presente proyecto. Por último se presenta el prototipo creado a lo largo del proyecto, al cual se le pueden hacer diferentes modificaciones como posibles líneas futuras, entre las que se encuentran una mejor regulación que permita el vuelo de un conjunto de drones.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.