Development of a wake model for wind farms based on an open source CFD solver. Strategies on parabolization and turbulence modeling

Wake effect represents one of the most important aspects to be analyzed at the engineering phase of every wind farm since it supposes an important power deficit and an increase of turbulence levels with the consequent decrease of the lifetime. It depends on the wind farm design, wind turbine type and the atmospheric conditions prevailing at the site. Traditionally industry has used analytical models, quick and robust, which allow carry out at the preliminary stages wind farm engineering in a flexible way. However, new models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are needed. These models must increase the accuracy of the output variables avoiding at the same time an increase in the computational time. Among them, the elliptic models based on the actuator disk technique have reached an extended use during the last years. These models present three important problems in case of being used by default for the solution of large wind farms: the estimation of the reference wind speed upstream of each rotor disk, turbulence modeling and computational time. In order to minimize the consequence of these problems, this PhD Thesis proposes solutions implemented under the open source CFD solver OpenFOAM and adapted for each type of site: a correction on the reference wind speed for the general elliptic models, the semi-parabollic model for large offshore wind farms and the hybrid model for wind farms in complex terrain. All the models are validated in terms of power ratios by means of experimental data derived from real operating wind farms.

Analysis of the discharge capacity of radial-gated spillways using CFD and ANN - Oliana Dam case study.

The paper focuses on the analysis of radial-gated spillways, which is carried out by the solution of a numerical model based on the finite element method (FEM). The Oliana Dam is considered as a case study and the discharge capacity is predicted both by the application of a level-set-based free-surface solver and by the use of traditional empirical formulations. The results of the analysis are then used for training an artificial neural network to allow real-time predictions of the discharge in any situation of energy head and gate opening within the operation range of the reservoir. The comparison of the results obtained with the different methods shows that numerical models such as the FEM can be useful as a predictive tool for the analysis of the hydraulic performance of radial-gated spillways.

Análisis mediante cálculo numérico (CFD) del comportamiento de anemómetros de cazoletas = CFD analysis of cup anemometers performance

El presente trabajo consiste en la simulación del flujo aerodinámico alrededor de cazoletas de anemómetros. Para ello se ha utilizado un código numérico o software comercial de análisis numérico de fluidos o CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabajo es un aporte más en la línea de investigación acerca del comportamiento de los anemómetros de cazoletas, que viene llevándose a cabo en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). La primera parte de este proyecto consistió en la realización de simulaciones de tipo estacionarias (esto es, con la cazoleta bajo un cierto ángulo de incidencia con respecto al viento pero sin movimiento de rotación). De esta forma se analiza de forma independiente y asilada la cazoleta en cada una de las diferentes posiciones a lo largo de un giro de 360 grados. Así pues, a varios modelos de cazoleta se les fue variando su posición en incrementos de 10 grados desde de la posición angular inicial q = 0º hasta q = 180º, ya que las cazoletas presentan un comportamiento simétrico. La segunda parte de este proyecto se destinó a la realización de otra serie de simulaciones de tipo no estacionarias. Este tipo de simulaciones se realizaron concretamente a sólo un modelo de cazoleta (cónica no porosa). Estas últimas simulaciones, en concreto nueve, se realizaron variando la velocidad angular de la cazoleta respecto a la velocidad del viento.

Distribution of the coal flow in the mill-duct system of the As Pontes Power Plant using CFD modeling

The efficiency of a Power Plant is affected by the distribution of the pulverized coal within the furnace. The coal, which is pulverized in the mills, is transported and distributed by the primary gas through the mill-ducts to the interior of the furnace. This is done with a double function: dry and enter the coal by different levels for optimizing the combustion in the sense that a complete combustion occurs with homogeneous heat fluxes to the walls. The mill-duct systems of a real Power Plant are very complex and they are not yet well understood. In particular, experimental data concerning the mass flows of coal to the different levels are very difficult to measure. CFD modeling can help to determine them. An Eulerian/Lagrangian approach is used due to the low solid–gas volume ratio.

Diseño del módulo de cálculo de potencia eléctrica para su aplicación en una CDF = Design of the power subsystem of a concurrent design facility (CFD) for satellite projects

El desarrollo del presente trabajo sigue, tanto una línea cronológica de las tareas realizadas, como una lógica, en la que se parte de un conocimiento mínimo de los sistemas espaciales hasta llegar al diseño completo de un Módulo de Cálculo de Potencia Eléctrica de un satélite para su aplicación en una instalación de diseño concurrente o CDF.

Estudio de la refrigeración de una piscina de combustible gastado con un código CFD

Tras el accidente nuclear de Fukushima se demostró que las piscinas de combustible gastado en las centrales nucleares ven comprometida su refrigeración a largo plazo en caso de una pérdida total de energía eléctrica (SBO), ya que si experimentan un SBO de larga duración no existen a priori sistemas para mantener la refrigeración de los elementos combustibles que no dependan de los diésel de emergencia o de la red externa. En este trabajo se ha estudiado la refrigeración de una piscina de combustible gastado con el programa CFD STAR-CCM+, tanto en condiciones normales como en caso de pérdida del sistema de refrigeración. Posteriormente se ha evaluado la misma mediante el empleo de sistemas pasivos que permiten refrigerar los elementos combustibles durante cierto tiempo tras la pérdida del sistema de refrigeración y de una manera pasiva. De esta manera se consigue cierto margen antes de la entrada en ebullición del agua de la piscina, mejorándose por tanto la refrigeración de la misma. ABSTRACT. After the Fukushima nuclear accident, it was proved that the cooling of the current spent fuel pools are not sure for long term in case of a Station Blackout (SBO) Accident. If a long lasting blackout SBO occurs there are no systems available to keep cooling the spent fuel assemblies that do not rely on diesel generators or the external grid. During this thesis, the author has studied the spent fuel pool cooling, in ordinary conditions and if the spent fuel pool loses its cooling system, using the CFD program STAR-CCM+. Afterwards, the spent fuel pool cooling has been studied through the use of passive systems. Those two systems are able to cool the spent fuel assemblies in a passive way during a certain period of time after losing the cooling system. As a consequence, the pool´s water would boil later and the spent fuel pools safety would be enhanced.

Uso del cálculo numérico CFD para el estudio de actuaciones de una motocicleta de competición = CFD analysis of a competition motorbike aerodynamic performance

Esta memoria pretende ilustrar el desarrollo del Proyecto de Fin de Carrera Uso del cálculo numérico CFD para el estudio de actuaciones de una motocicleta de competición de los alumnos Álvaro Ramos Cenzano y Mauro Botella Mompó. Se centra en el estudio de las fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre una motocicleta de competición, en concreto de una Moto2 del campeonato de España de velocidad (CEV), por medio de programas de simulación. Los capítulos del 1 al 4, describen por qué surgió el Proyecto, los datos a tener en cuenta del reglamento oficial de Moto2 del CEV (centrándonos sobre todo en los aspectos que afectan a la Aerodinámica, como puede ser el carenado), y los objetivos que se pretenden hallar con este proyecto. Se hará una pequeña introducción a la aerodinámica general para después profundizar en la aerodinámica automovilística y sobretodo en la de las motocicletas. Pasando por el interés que tiene la aerodinámica a diferentes niveles (comercial y de competición), y su evolución a lo largo de la historia. Se analizarán los diferentes métodos de trabajo que se podrían usar para el estudio aerodinámico, centrándose sobre todo en la técnica de estudio informático por Dinámica de Fluidos Computacional o CFD. Dado que el proyecto está basado en unas motocicletas reales, surgirán una serie de problemas en el uso de los métodos numéricos que se irán solventando, intentando mantener la estructura lo más fiel posible a los modelos reales. Todos estos problemas y sus soluciones se detallarán con la intención de que puedan servir de ayuda para futuros estudios. Tras las simulaciones con los programas CFD correspondientes a los distintos modelos de motocicleta, se compararán los resultados para ayudar en la definición del modelo final. El proyecto concluirá con las conclusiones obtenidas por los alumnos.

Development of a PWR-W and an AP1000® containment building 3D model with a CFD code for Best-Estimate Thermal-Hydraulic Analysis

The simulation of design basis accidents in a containment building is usually conducted with a lumped parameter model. The codes normally used by Westinghouse Electric Company (WEC) for that license analysis are WGOTHIC or COCO, which are suitable to provide an adequate estimation of the overall peak temperature and pressure of the containment. However, for the detailed study of the thermal-hydraulic behavior in every room and compartment of the containment building, it could be more convenient to model the containment with a more detailed 3D representation of the geometry of the whole building. The main objective of this project is to obtain a standard PWR Westinghouse as well as an AP1000® containment model for a CFD code to analyze the thermal-hydraulic detailed behavior during a design basis accident. In this paper the development and testing of both containment models is presented.

Estudio de la distribución de hidrógeno en una contención PWR con códigos CFD

Durante el desarrollo de un accidente severo en un reactor PWR, se pueden generar grandes cantidades de hidrógeno por la oxidación de los metales presentes en el núcleo, principalmente el zirconio de las vainas del combustible. Este hidrógeno, junto con vapor y otros gases, puede ser liberado a la atmósfera de la contención por una fuga o rotura en el circuito primario y alcanzar condiciones en las que pueda darse combustión. La combustión provoca cargas térmicas y de presión que pueden dañar los sistemas de seguridad y la integridad del edificio de contención, última barrera de confinamiento de los materiales radiactivos. La principal condición que define las características de la combustión es la concentración de especies, por lo que el conocimiento detallado de la distribución de hidrógeno resulta muy importante para predecir correctamente los posibles daños en la contención en el caso de que se produjera combustión.

Simulación CFD de un accidente de caída de un elemento combustible en piscina

It is intended to provide a methodology of analysis more realistic this accident referred to in calculations of the license that requires fuel catastrophic break regardless of the height of the fall, with the consequent release of inventory analysers. Accidents that occurred in the past indicate that this hypothesis could be too conservative.

Cross Ventilation CFD Modeling: Characterization and Study of Different Façade Openings Configurations at the Refurbishment of a Residential Building in Málaga (Spain)

The opening of new windows on the façade is proposed as a refurbishment strategy in an existing building in Málaga to facilitate cross ventilation of dwellings. The building is a residential block of 140 public housing units for rent for people with low income in Málaga (Spain), property of the City Council. By modeling with Computational Fluid Dynamics (CFD), eleven configurations of openings are studied in two different areas of the main housing type of the building. The quantity of introduced/extracted air into/from the room and the generated airflow patterns are obtained. The modeling allows comparing the different openings configurations to determine the most appropriate ventilation option for every room.

Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CFD)para el desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Propulsion Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este proyecto es recoger y explicar el conjunto de tareas realizadas durante el proceso de colaboración llevado a cabo en el Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” durante el curso académico 2014/2015, las cuales han conformado las prácticas externas cursadas en la titulación de Grado en Ingeniería Aeroespacial, y el Trabajo de Fin de Grado de la misma titulación. En este documento se pretende,además, poner de manifiesto la rigurosidad con la que se trabaja en el ámbito espacial y la importancia de los protocolos y procedimientos para asegurar un resultado adecuado en los trabajos realizados. Una parte importante del proyecto detalla los procesos de monitorización y mantenimiento de la batería del satélite universitario UPMSat-2 cuyo lanzamiento está previsto para el año próximo y el cual será el segundo satélite del mundo en incorporar una batería de Ión-Litio.

Análisis CFD de un álabe del último paso de una turbina de vapor

El presente proyecto consiste en el estudio detallado de las solicitaciones mecánicas a las que se encuentra sometido un álabe correspondiente a la sección de baja presión de una turbina de vapor. Primeramente se llevará a cabo una introducción a este tipo de turbomáquinas con el fin de definir conceptos relevantes como el grado de reacción o el triángulo de velocidades, necesarios para comprender el funcionamiento de estas máquinas. A medida que se avance en la explicación de los fundamentos teóricos de la turbina de vapor, se irá profundizando cada vez más hasta llegar a la corona de álabes del rotor. Aquí se describirán las fuerzas de distinta naturaleza que soportan los álabes en condiciones de trabajo, así como el principio de formación de humedad que ocurre en los últimos escalonamientos de la etapa de baja presión. Una vez revisados todos los conceptos teóricos de interés, se pasará a simular con ayuda de un programa de Elementos Finitos la distribución de velocidades y de presión del flujo de vapor a su paso por un álabe de la última corona del rotor. El objetivo que se persigue es cuantificar tanto las tensiones mecánicas como los desplazamientos por deformación a los que se encuentra sometido el álabe debido a la interacción con el fluido a elevada velocidad. Posteriormente, como ampliación a este modelo, se ha tenido en cuenta el efecto de los condensados (pequeñas gotas de agua) que se forman en los últimos escalonamientos de la turbina debido a grandes subenfriamientos locales del vapor. Estas gotas impactan sobre el lado de succión del perfil del álabe, por tanto su contribución a los valores de tensión y desplazamiento que experimenta el álabe también será cuantificada en el programa de Elementos Finitos. Por último, se hará una recopilación de las principales conclusiones obtenidas tras el modelo simulado por ordenador, así como de la importancia de la calidad del vapor para el buen funcionamiento de la turbomáquina.

Interactividad entre profesorado y estudiantes mediante Wikis en la asignatura CFD en Biología y Geología

En el marco de la convocatoria de los proyectos de redes de investigación en docencia universitaria 2014-2015, de la Universidad de Alicante, se creó una red de trabajo con el fin de describir la experiencia de los autores y las autoras y del alumnado sobre el uso de la tecnología Wiki en la asignatura de CFD en Biología y Geología del Máster del Profesorado, que se imparte en la Universidad de Alicante. La tecnología Wiki es un recurso tecnológico relativamente reciente que favorece la interacción entre los usuarios y las usuarias de la misma debido a que en su concepto más amplio, una Wiki es una página web que puede ser editada por cualquier usuario o usuaria y desde diferentes navegadores. En el sistema educativo, la tecnología Wiki resulta pertinente ya que permite fomentar la interacción entre alumnado-alumnado y alumnado-profesorado gracias al hecho de que todos los contenidos de la Wiki pueden ser corregidos o eliminados, tanto por el profesorado como por el alumnado y la información estaría disponible para todos a tiempo real. El objetivo de este trabajo es, por tanto, evaluar el uso de esta tecnología Wiki en la asignatura para mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje.

Contact angle effects on microdroplet deformation using CFD

In this paper we use computational fluid dynamics (CFD) to study the effect of contact angle on droplet shape as it moves through a contraction. A new non-dimensional number is proposed in order to predict situations where the deformed droplet will form a slug in the contraction and thus have the opportunity to interact with the channel wall. It is proposed that droplet flow into a contraction is a useful method to ensure that a droplet will wet a channel surface without a trapped lubrication film, and thus help ensure that a slug will remain attached to the wall downstream of the contraction. We demonstrate that when a droplet is larger than a contraction, capillary and Reynolds numbers, and fluid properties may not be sufficient to fully describe the droplet dynamics through a contraction. We show that, with everything else constant, droplet shape and breakup can be controlled simply by changing the wetting properties of the channel wall. CFD simulations with contact angles ranging from 30 degrees to 150 degrees show that lower contact angles can induce droplet breakup while higher contact angles can form slugs with contact angle dependent shape. Crown Copyright (c) 2005 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.