Caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas

El fenómeno de la socavación puede poner en peligro la operatividad o la seguridad de estructuras offshore comprometiendo su estabilidad global. Hasta el momento, la gran mayoría de las investigaciones destinadas a estudiar el origen y el desarrollo de este fenómeno han estado centradas en entornos fluviales, bajo condiciones de corriente continua. En la última década, debido al crecimiento del mercado de la eólica marina, han surgido numerosos estudios para la caracterización de este fenómeno en el entorno marino, teniendo en cuenta que estas estructuras se encuentran sometidas de forma simultánea a los efectos de la corriente y el oleaje, y las corrientes provocadas por las mareas. Ante la observada carencia de criterios existentes para el diseño de protecciones frente a la socavación, la presente Tesis Doctoral surge con el objetivo principal de desarrollar una serie de recomendaciones que permitan mejorar y optimizar el diseño de estas estructuras, teniendo en cuenta no sólo los parámetros geométricos de las cimentaciones de los aerogeneradores, o la propia erosión, sino también, variables características del oleaje como la altura de ola, el periodo o la longitud de onda, así como la profundidad o la batimétrica de la cimentación. La caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas no es el único objetivo alcanzado en la presente Tesis Doctoral. A través de la calibración del parámetro de altura de ola adimensional (H0) en diferentes parques eólicos europeos, y de acuerdo al criterio propuesto por Van der Meer (1988), se propone la clasificación de este tipo de estructuras de protección, basadas en material granular o escollera. La información recopilada sobre la socavación registrada en numerosos parques eólicos con protección también ha permitido estudiar la funcionalidad de este tipo de protecciones instaladas hasta la fecha. Asímismo, gracias al conocimiento adquirido sobre el fenómeno de la socavación, se plantea una propuesta para la mejora de la caracterización de este fenómeno en ambiente marino basada en el estudio de la influencia del campo de aceleraciones. La presente Tesis Doctoral permite mejorar el diseño de las protecciones frente a la socavación que se utilizan en parques eólicos marinos teniendo en cuenta las acciones del clima marítimo, supliendo de este modo las carencias que hasta el momento presentan las formulaciones existentes, las cuales únicamente toman en consideración la geometría de las cimentaciones, el ángulo de rozamiento interno del terreno y la estimación de la máxima socavación que puede llegar a producirse. Scour phenomenon jeopardizes the stability and functionality of offshore structures compromising its overall stability. So far, most studies about the origin and the development of this phenomenon have been focused on river environments (under steady current conditions). In the last decade a lot of research projects about the characterization of this phenomenon have been carried out due to the growth of offshore wind industry. These projects take into account that these structures are subjected simultaneously to current, waves and tidal effects. This PhD Thesis arises due to the current lack of criteria for the design of scour protections. Its main objective is to develop some recommendations to improve and to optimize the design of scour protection structures. For that it is necessary to take into account not only the geometrical parameters of foundations or the erosion forecasted, but also wave variables such as wave height, wave period or wavelength. Characterization of protection systems based on natural materials for the control of the scour in offshore wind farms was not the only goal achieved in this PhD Thesis. Through the calibration of the dimensionless wave height parameter (H0) in different European offshore wind farms, and according to the criteria proposed by Van der Meer (1988), a classification of these protection structures based on natural elements (rocks or riprap) has been proposed. Scour data registered in numerous offshore wind farms with scour protection systems also allowed to study the functionality of this type of protection installed up to now. Thanks to the knowledge acquired about the scour development, a proposal for the improvement of the characterization of this phenomenon in marine environment is proposed. This has been based on the study of the influence of the acceleration parameters. This PhD Thesis improves the design of scour protections used in offshore wind facilities taking into account maritime climate actions. To solve the current formulae deficiencies only considering the foundation geometry, the internal friction angle of the seabed and the maximum scour depth forecasted.

Parque eólico offshore "Sierra de Irta"

Teniendo en cuenta que está prevista la construcción y desarrollo de un gran polígono industrial en las cercanías del Término Municipal de Peñíscola (Castellón), se pretende que parte del abastecimiento de energía eléctrica a dicho polígono provenga del Parque Eólico Offshore “Sierra de Irta”. Una de las razones de da sentido a esta idea es la creación de una nueva instalación de generación de energía renovable que cause la mínima afección posible al Parque Natural Sierra de Irta, enclavado en las proximidades de Peñíscola. Además se pretende aprovechar el potencial energético de los vientos de la zona, pues según unos estudios realizados anteriormente presentan unas características óptimas para las instalaciones eólicas.

Parque eólico Cassino

La energía eólica, así como otras energías renovables, ha experimentado en la última década un gran auge que va extendiéndose alrededor de todo el mundo, cada vez más concienciado de la importancia de las energías renovables como una fuente alternativa de energía. Se han sumado al reto todos los países acogidos al Protocolo de Kyoto, que a fin de reducir emisiones están potenciando la energía eólica como la fuente de energía renovable hoy día más viable para la generación eléctrica. Brasil alcanzó en 2011 los 1.509 MW instalados, lo que representa el 50% de Latinoamérica, seguido por México con el 31%. Las características del sector eléctrico así como un marco legal favorable y el alto potencial eólico, hacen que la perspectiva de crecimiento en este tipo de energía sea muy favorable durante los próximos años, con estimaciones de unos 20.000 MW para 2020. El asentamiento del sector en el país de algunos de los fabricantes más importantes y los avances en cuanto a eficiencia de los aerogeneradores, mayor aprovechamiento de la energía de los vientos menos intensos, amplía las posibles ubicaciones de parques eólicos permitiendo una expansión grande del sector. El parque eólico objeto del proyecto está ubicado en el estado de Rio Grande do Sul, al sur del país, y está constituido por 33 aerogeneradores de 2,0 MW de potencia unitaria, lo que supone una potencia total instalada de 66 MW. La energía eléctrica generada en él será de 272,8 GWh/año. Esta energía se venderá mediante un contrato de compraventa de energía (PPA, Power Purchase Agreement) adjudicado por el gobierno Brasileño en sus sistemas de subasta de energía. En el proyecto se aborda primeramente la selección del emplazamiento del parque eólico a partir de datos de viento de la zona. Estos datos son estudiados para evaluar el potencial eólico y así poder optimizar la ubicación de las turbinas eólicas. Posteriormente se evalúan varios tipos de aerogeneradores para su implantación en el emplazamiento. La elección se realiza teniendo en cuenta las características técnicas de las máquinas y mediante un estudio de la productividad del parque con el aerogenerador correspondiente. Finalmente se opta por el aerogenerador G97-2.0 de GAMESA. La ejecución técnica del parque eólico se realiza de forma que se minimicen los impactos ambientales y de acuerdo a lo establecido en el Estudio de Impacto Ambiental realizado. Este proyecto requiere una inversión de 75,4 M€, financiada externamente en un 80 % y el 20 % con recursos propios del promotor. Del estudio económico-financiero se deduce que el proyecto diseñado es rentable económicamente y viable, tanto desde el punto de vista técnico como financiero. Abstract Wind energy, as well as other renewable energies, has experienced over the last decade a boom that is spreading around the world increasingly aware of the importance of renewable energy as an alternative energy source. All countries that ratified the Kyoto Protocol have joined the challenge promoting wind energy in order to reduce emissions as the more feasible renewable energy for power generation. In 2011 Brazil reached 1509 MW installed, 50% of Latin America, followed by Mexico with 31%. Electric sector characteristics as well as a favorable legal framework and the high wind potential, make the perspective of growth in this kind of energy very positive in the coming years, with estimates of about 20,000 MW by 2020. Some leading manufacturers have settled in the country and improvements in wind turbines efficiency with less intense winds, make higher the number of possible locations for wind farms allowing a major expansion of the sector. The planned wind farm is located in the state of Rio Grande do Sul, in the south of the Brazil, and is made up of 33 wind turbines of 2,0 MW each, representing a total capacity of 66 MW. The electricity generated, 272,8 GWh/year will be sold through a power purchase agreement (PPA) awarded by the Brazilian government in its energy auction systems. The project deals with the site selection of the wind farm from wind data in the area. These data are studied to evaluate the wind potential and thus optimize the location of wind turbines. Then several types of turbines are evaluated for implementation at the site. The choice is made taking into account the technical characteristics of the machines and a study of the productivity of the park with the corresponding turbine. Finally selected wind turbine is Gamesa G97-2.0. The technical implementation of the wind farm is done to minimize environmental impacts as established in the Environmental Impact Study. This project requires an investment of 75,4 M€, financed externally by 80% and 20% with equity from the promoter. The economic-financial study shows that the project is economically viable, both technically and financially.

Comportamiento a fatiga por cortante de elementos lineales de hormigón armado sin cercos

Las estructuras de hormigón son susceptibles de sufrir los efectos asociados a las acciones de fatiga cuando estas se ven sometidas a un elevado número de cargas repetidas. Muchas de estas estructuras no requieren armadura transversal para cumplir los condicionantes de dimensionamiento estático como por ejemplo las losas superiores de tableros de puentes, los muros de contención, las losas de transición de puentes, las torres eólicas o las estructuras marítimas. La mayor parte de los códigos de diseño vigentes no incluyen una comprobación específica del nivel de seguridad a cortante de estas estructuras para acciones de fatiga, y aquellas que lo hacen prefieren utilizar expresiones de tipo empírico basadas en curvas S-N que relacionan el número de ciclos resistentes con el valor de la carga aplicada. A pesar de que el empleo de curvas S-N es de gran utilidad desde un punto de vista práctico, estas curvas no permiten comprender el proceso de rotura por cortante para cargas repetidas. El objetivo principal de esta Tesis es el de estudiar el comportamiento a cortante de elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga. Además, el análisis es ampliado al estudio del comportamiento transversal de los voladizos de las losas superiores de tableros de puentes de hormigón que de forma habitual son diseñados sin armadura de cortante. De forma habitual estos elementos se diseñan atendiendo a criterios de dimensionamiento estáticos sin tener en cuenta la resistencia a cortante cuando se ven sometidos a cargas cíclicas. A pesar de que las cargas de fatiga son inferiores a aquellas que producen el fallo estático, es importante tener en cuenta el comportamiento de estos elementos ante cargas repetidas. Los trabajos experimentales existentes en vigas de hormigón armado sin cercos evidenciaron diferencias significativas entre los modos de fallo ante cargas estáticas y cíclicas. Estos trabajos llegaron a la conclusión de que estos elementos diseñados para tener un fallo dúctil por flexión pueden llegar a desarrollar un tipo de fallo frágil por cortante cuando se ven sometidos a cargas repetidas. El proceso de rotura por cortante en elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga es un proceso complejo que debe ser estudiado en profundidad debido al carácter frágil de este tipo de fallo. Los trabajos experimentales permitieron comprobar que el origen de este fallo tiene lugar tras la formación de una fisura de cortante a partir de una fisura de flexión formada durante los primeros ciclos en el vano de cortante. Tras la formación de esta fisura, esta se va propagando hacia la cabeza de compresión hasta que finalmente se produce el fallo como consecuencia de la destrucción de la cabeza de compresión cuando la altura alcanzada por esta es insuficiente para resistir la fuerza de compresión aplicada en esta zona. Por otra parte, la propagación de esta fisura diagonal puede desarrollarse por completo en el instante en el que esta se forma derivando en un tipo de fallo por cortante más frágil que el anterior. El proceso de fatiga es estudiado en esta Tesis mediante un modelo mecánico. Por una parte, se propone un modelo predictivo para determinar el número de ciclos acumulados hasta que se forma la fisura diagonal en función del estado tensional que se tiene en la punta de una fisura crítica de flexión formada en los primeros ciclos. Por otra parte, la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura diagonal se analiza teniendo en cuenta el daño por fatiga acumulado en la cabeza de compresión y las variables que afectan a la propagación de esta fisura de cortante. Para la evaluación de la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura crítica de cortante en este tipo de elementos, se plantea un modelo teórico basado en conceptos de Mecánica de la Fractura adaptados al hormigón. Este modelo puede ser aplicado a vigas de hormigón armado sin cercos de canto constante o variable siguiendo diferentes procedimientos. Una campaña experimental ha sido llevada a cabo con el objetivo de estudiar el comportamiento a cortante de vigas de hormigón armado sin cercos de canto variable sometidas a cargas estáticas y de fatiga. Se han desarrollado un total de diez ensayos estáticos y de fatiga para diferentes niveles de carga y esbelteces de cortante, teniendo lugar diferentes modos de fallo. Estos elementos fueron diseñados para reproducir, a escala real y de forma simplificada, los voladizos laterales de las losas superiores de tableros de puentes de carretera de hormigón. Los resultados experimentales demostraron que el tipo de fallo desarrollado depende de varios parámetros como por ejemplo el nivel de carga máxima, el nivel de oscilación de tensiones en la armadura longitudinal, la esbeltez de cortante o la calidad del hormigón utilizado entre otros. Para valores similares de esbeltez de cortante, los ensayos de fatiga realizados permitieron comprobar que la rotura por cortante de estos elementos está asociada a niveles de carga máxima elevados, mientras que el fallo por fatiga de la armadura longitudinal tiene mayor probabilidad de ocurrir en elementos sometidos a elevados niveles de oscilación de tensiones en esta armadura. Además, estos ensayos han sido analizados a través del modelo propuesto para tratar de comprender el comportamiento resistente de estos elementos sometidos a cargas de fatiga. Concrete structures are able to suffer fatigue when they are subjected to high number of cyclic loads. Many of these need not shear reinforcement to satisfy static design requirements, such as bridge deck slabs, retaining walls, bridge approach slabs, wind towers or maritime structures among others. Many codes of practice do not include a verification of the shear fatigue safety. Moreover, those which include it still prefer empirical S-N-based approaches that provide the number of cycles as a function of applied forces. S-N models are practical but they do not provide information to understand the shear fatigue process. The main objective of this Thesis is to study shear behaviour of reinforced concrete elements without stirrups subjected to fatigue loads. In addition, the analysis is extended in order to study the transverse behaviour of cantilever slabs of concrete bridges that traditionally are designed without shear reinforcement. These elements usually are designed on the basis of static strength and it is unusual that codes consider fatigue strength of concrete in shear. Accordingly, it is important to take into account the fatigue behaviour of structural members subjected to cyclic loads although these loads are lower than those which produce the static failure. Existing experimental works show important differences between the static and cyclic failure modes of reinforced concrete beams without stirrups. These works concluded that beams without transverse reinforcement, designed to have a ductile failure mode in flexure, can submit a brittle shear failure mode when they are subjected to repeated loads. Shear fatigue failure of reinforced concrete beams without stirrups is a rather complex process from the mechanical viewpoint. Since it leads to a brittle failure mode it should be better understood. Experimental evidence indicates that a diagonal crack first develops from the inclination of flexural cracks in the shear span. Thereafter, the diagonal crack propagates into the compression zone. Failure normally takes place by the destruction of the compression zone when its depth is too small to resist the applied force. The propagation of the diagonal crack can also be instantaneous, leading to sudden diagonal cracking fatigue failure rather than shear-compression failure. Fatigue process is studied in this Thesis on a mechanical basis. On the one hand, a predictive model is derived to obtain the number of cycles up to diagonal cracking, as a function of the stress state at the tip of a critical flexural crack. On the other hand, the residual fatigue strength after diagonal cracking is analyzed taking into account the fatigue damage accumulated by the compression zone and the variables affecting the propagation of the diagonal crack. In order to assess the residual fatigue strength after diagonal cracking of such elements, a theoretical model is proposed based on concepts from fracture mechanics adapted to concrete. This model can be successfully applied for straight or haunched reinforced concrete beams without stirrups following different procedures. In order to achieve a more advanced knowledge in this subject, an experimental campaign has been carried out with the aim of study the shear behaviour of reinforced concrete haunched beams without stirrups subjected to static and fatigue loads. A total of ten static and fatigue tests have been performed with distinct load levels and shear span-to-depth ratios, presenting different failures modes. These elements were designed to reproduce in a simplified form the cantilever slab of concrete bridges at real scale. Experimental results showed that the type of failure depends on several parameters as for example the maximum load level, the stress oscillation level on the longitudinal reinforcement, the shear span-to-depth ratio or the quality of the concrete used among others. For a similar value of the shear span-to-depth ratio, tests evidenced that shear fatigue failure is related to high maximum load levels, while steel fatigue failure is easier to occur in elements subjected to high stress oscillation level on the reinforcement bars. Besides, these tests have been analyzed through the proposed model in order to clarify the structural behaviour of such elements subjected to fatigue loads.

Un método de cálculo dinámico de tableros de puentes

En la actualidad el estudio del comportamiento de los tableros de puentes bajo ciertas acciones de carácter dinámico puede constituir un importante factor a considerar en el curso del proyecto. Ello se debe al progresivo incremento de la esbeltez de los tableros de puentes Y ello es debido a un progresivo incremento de la esbeltez de debido a causas múltiples, entre las que pueden citarse las de índole económica y las resultantes de un mejor conocimiento de la fenomenología estructural. Las acciones que son susceptibles de provocar una respuesta dinámica en un puente,son de origen vario: eólicas, sísmicas, impacto, circulación, etc. El carácter errático en su actuación,constituye una característica común a la mayoría de las excitaciones dinámicas y dificulta extraordinariamente una definición determinista adecuada de las mismas. Hasta la fecha se ha utilizado el métódo normal de análisis dinámico que corresponde al denominado cálculo quasi-estático.Es decir, la respuesta dinámica de una estructura se evalúa como el resultado obtenido de un cálculo estático (sin consideración de las fuerzas de inercia) multiplicado por un coeficiente de mayoración dinámica. De esta forma, se evita el cálculo dinámico de la estructura ,en general más complejo, pero exige el conocimiento de los coeficientes de mayoración dinámica. Por ello, se observa la necesidad de un cálculo dinámico completo en aquellos casos en los que la imprecisión del análisis quasi-estático es excesiva y se desea, por lo tanto, bien determinar el coeficiente de mayoración o bien el cálculo dinámico directo de la estructura.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

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.

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.