Studio preliminare di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità

In questo elaborato di tesi viene presentata la comparazione tra due codici CFD, rispettivamente Fluent e OpenFOAM, mediante simulazioni che sono alla base di uno studio numerico di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità. Si è apprezzato quindi la facilità d’uso di un software venduto tramite licenza e la difficoltà di un software open source come OpenFOAM, il quale però ha vantaggi in termini di adattamento ai casi più specifici. Sono stati quindi studiati due casi, scambio termico in regime laminare attorno ad un cilindro bidimensionale e flusso turbolento completamente sviluppato in un canale. Tutte le simulazioni numeriche hanno raggiunto convergenza e sono state validate positivamente mediante confronto con dati sperimentali. Il primo caso prevede un cilindro investito da un flusso a temperatura minore rispetto alla temperatura della superficie del cilindro; per avere più riscontri, sono state condotte diverse prove a valori differenti del numero di Prandtl, e per ogni simulazione è stato ricavato il corrispettivo numero di Nusselt, successivamente comparato con i dati sperimentali per la validazione delle prove. A partire dalla creazione della griglia di calcolo, è stato effettuato uno studio del fenomeno in questione, creando così una griglia di calcolo sviluppata a valle del cilindro avente maggior densità di celle a ridosso della parte del cilindro. In aggiunta, svolgendo le prove con schemi numerici sia del primo che del secondo ordine, si è constatata la miglior sensibilità degli schemi numerici del secondo ordine rispetto a quelli del primo ordine. La seconda tipologia di simulazioni consiste in un flusso turbolento completamente sviluppato all’interno di un canale; sono state svolte simulazioni senza e con l’uso delle wall functions, e quindi usate griglie di calcolo differenti per i due tipi di simulazioni, già disponibili per entrambi i software. I dati ottenuti mostrano uno sforzo computazionale maggiore per le simulazioni che non prevedono l’uso delle wall functions, e quindi una maggiore praticità per le simulazioni con le wall functions. Inoltre, le simulazioni di questo secondo caso sono state svolte con diversi modelli di turbolenza; in Fluent sono stati utilizzati i modelli k-ε e RSM mentre in OpenFOAM è stato utilizzato solo il modello k-ε in quanto il modello RSM non è presente. La validazione dei risultati è affidata alla comparazione con i dati sperimentali ricavati da Moser et all mediante simulazioni DNS, mettendo in risalto la minor accuratezza delle equazioni RANS.

Metodologie open source per la simulazione numerica di banchi di flussaggio per motori a combustione interna

Valutazione di software open source per la simulazione di banchi di flussaggio stazionari. Analisi dei risultati e confronto con dati sperimentali e con dati ottenuti da un software commerciale. Il toolbox usato è OpenFOAM.

Fluid-structure interaction of an elastic pipe immersed inside a coaxial rigid pipe: a model for the Tullio phenomenon

An axisymmetric, elastic pipe is filled with an incompressible fluid and is immersed in a second, coaxial rigid pipe which contains the same fluid. A pressure pulse in the outer fluid annulus deforms the elastic pipe which invokes a fluid motion in the fluid core. It is the aim of this study to investigate streaming phenomena in the core which may originate from such a fluid-structure interaction. This work presents a numerical solver for such a configuration. It was developed in the OpenFOAM software environment and is based on the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) approach for moving meshes. The solver features a monolithic integration of the one-dimensional, coupled system between the elastic structure and the outer fluid annulus into a dynamic boundary condition for the moving surface of the fluid core. Results indicate that our configuration may serve as a mechanical model of the Tullio Phenomenon (sound-induced vertigo).

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.

Matrix-free time-stepping methods for the solution of TriGlobal instability problems

La inmensa mayoría de los flujos de relevancia ingenieril permanecen sin estudiar en el marco de la teoría de estabilidad global. Esto es debido a dos razones fundamentalmente, las dificultades asociadas con el análisis de los flujos turbulentos y los inmensos recursos computacionales requeridos para obtener la solución del problema de autovalores asociado al análisis de inestabilidad de flujos tridimensionales, también conocido como problema TriGlobal. En esta tesis se aborda el problema asociado con la tridimensionalidad. Se ha desarrollado una metodología general para obtener soluciones de problemas de análisis modal de las inestabilidades lineales globales mediante el acoplamiento de métodos de evolución temporal, desarrollados en este trabajo, con códigos de mecánica de fluidos computacional de segundo orden, utilizados de forma general en la industria. Esta metodología consiste en la resolución del problema de autovalores asociado al análisis de inestabilidad mediante métodos de proyección en subespacios de Krylov, con la particularidad de que dichos subespacios son generados por medio de la integración temporal de un vector inicial usando cualquier código de mecánica de fluidos computacional. Se han elegido tres problemas desafiantes en función de la exigencia de recursos computacionales necesarios y de la complejidad física para la demostración de la presente metodología: (i) el flujo en el interior de una cavidad tridimensional impulsada por una de sus tapas, (ii) el flujo alrededor de un cilindro equipado con aletas helicoidales a lo largo su envergadura y (iii) el flujo a través de una cavidad abierta tridimensinal en ausencia de homogeneidades espaciales. Para la validación de la tecnología se ha obtenido la solución del problema TriGlobal asociado al flujo en la cavidad tridimensional, utilizando el método de evolución temporal desarrollado acoplado con los operadores numéricos de flujo incompresible del código CFD OpenFOAM (código libre). Los resultados obtenidos coinciden plentamente con la literatura. La aplicación de esta metodología al estudio de inestabilidades globales de flujos abiertos tridimensionales ha proporcionado por primera vez, información sobre la transición tridimensional de estos flujos. Además, la metodología ha sido adaptada para resolver problemas adjuntos TriGlobales, permitiendo el control de flujo basado en modificaciones de las inestabilidades globales. Finalmente, se ha demostrado que la cantidad moderada de los recursos computacionales requeridos para la solución del problema de valor propio TriGlobal usando este método numérico, junto a su versatilidad al poder acoplarse a cualquier código aerodinámico, permite la realización de análisis de inestabilidad global y control de flujos complejos de relevancia industrial. Abstract Most flows of engineering relevance still remain unexplored in a global instability theory context for two reasons. First, because of the difficulties associated with the analysis of turbulent flows and, second, for the formidable computational resources required for the solution of the eigenvalue problem associated with the instability analysis of three-dimensional base flows, also known as TriGlobal problem. In this thesis, the problem associated with the three-dimensionality is addressed by means of the development of a general approach to the solution of large-scale global linear instability analysis by coupling a time-stepping approach with second order aerodynamic codes employed in industry. Three challenging flows in the terms of required computational resources and physical complexity have been chosen for demonstration of the present methodology; (i) the flow inside a wall-bounded three-dimensional lid-driven cavity, (ii) the flow past a cylinder fitted with helical strakes and (iii) the flow over a inhomogeneous three-dimensional open cavity. Results in excellent agreement with the literature have been obtained for the three-dimensional lid-driven cavity by using this methodology coupled with the incompressible solver of the open-source toolbox OpenFOAM®, which has served as validation. Moreover, significant physical insight of the instability of three-dimensional open flows has been gained through the application of the present time-stepping methodology to the other two cases. In addition, modifications to the present approach have been proposed in order to perform adjoint instability analysis of three-dimensional base flows and flow control; validation and TriGlobal examples are presented. Finally, it has been demonstrated that the moderate amount of computational resources required for the solution of the TriGlobal eigenvalue problem using this method enables the performance of instability analysis and control of flows of industrial relevance.

Simulación de componentes no estacionarias de viento en orografías complejas

Realistic operation of helicopter flight simulators in complex topographies (such as urban environments) requires appropriate prediction of the incoming wind, and this prediction should be made in real time. Unfortunately, the wind topology around complex topographies shows time-dependent, fully nonlinear, turbulent patterns (i.e., wakes) whose simulation cannot be made using computationally inexpensive tools based on corrected potential approximations. Instead, the full Navier-Stokes plus some kind of turbulent modeling is necessary, which is quite computationally expensive. The complete unsteady flow depends on two parameters, namely the velocity and orientation of the free stream flow. The aim of this MSc thesis is to develop a methodology for the real time simulation of these complex flows. For simplicity, the flow around a single building (20 mx20 m cross section and 100 m height) is considered, with free stream velocity in the range 5-25 m/s. Because of the square cross section, the problem shows two reflection symmetries, which allows for restricting the orientations to the range 0° < a. < 45°. The methodology includes an offline preprocess and the online operation. The preprocess consists in three steps: An appropriate, unstructured mesh is selected in which the flow is sim¬ulated using OpenFOAM, and this is done for 33 combinations of 3 free stream intensities and 11 orientations. For each of these, the simulation proceeds for a sufficiently large time as to eliminate transients. This step is quite computationally expensive. Each flow field is post-processed using a combination of proper orthogonal decomposition, fast Fourier transform, and a convenient optimization tool, which identifies the relevant frequencies (namely, both the basic frequencies and their harmonics) and modes in the computational mesh. This combination includes several new ingredients to filter errors out and identify the relevant spatio-temporal patterns. Note that, in principle, the basic frequencies depend on both the intensity and the orientation of the free stream flow. The outcome of this step is a set of modes (vectors containing the three velocity components at all mesh points) for the various Fourier components, intensities, and orientations, which can be organized as a third order tensor. This step is fairly computationally inexpensive. The above mentioned tensor is treated using a combination of truncated high order singular value, decomposition and appropriate one-dimensional interpolation (as in Lorente, Velazquez, Vega, J. Aircraft, 45 (2008) 1779-1788). The outcome is a tensor representation of both the relevant fre¬quencies and the associated Fourier modes for a given pair of values of the free stream flow intensity and orientation. This step is fairly compu¬tationally inexpensive. The online, operation requires just reconstructing the time-dependent flow field from its Fourier representation, which is extremely computationally inex¬pensive. The whole method is quite robust.

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.

Urban wind energy: empirical optimization of high-rise building roof shape for the wind energy exploitation

El programa Europeo HORIZON2020 en Futuras Ciudades Inteligentes establece como objetivo que el 20% de la energía eléctrica sea generada a partir de fuentes renovables. Este objetivo implica la necesidad de potenciar la generación de energía eólica en todos los ámbitos. La energía eólica reduce drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y evita los riesgos geo-políticos asociados al suministro e infraestructuras energéticas, así como la dependencia energética de otras regiones. Además, la generación de energía distribuida (generación en el punto de consumo) presenta significativas ventajas en términos de elevada eficiencia energética y estimulación de la economía. El sector de la edificación representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La reducción del consumo energético en este área es, por tanto, una prioridad de acuerdo con los objetivos "20-20-20" en eficiencia energética. La Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 sobre el comportamiento energético de edificaciones contempla la instalación de sistemas de suministro energético a partir de fuentes renovables en las edificaciones de nuevo diseño. Actualmente existe una escasez de conocimiento científico y tecnológico acerca de la geometría óptima de las edificaciones para la explotación de la energía eólica en entornos urbanos. El campo tecnológico de estudio de la presente Tesis Doctoral es la generación de energía eólica en entornos urbanos. Específicamente, la optimization de la geometría de las cubiertas de edificaciones desde el punto de vista de la explotación del recurso energético eólico. Debido a que el flujo del viento alrededor de las edificaciones es exhaustivamente investigado en esta Tesis empleando herramientas de simulación numérica, la mecánica de fluidos computacional (CFD en inglés) y la aerodinámica de edificaciones son los campos científicos de estudio. El objetivo central de esta Tesis Doctoral es obtener una geometría de altas prestaciones (u óptima) para la explotación de la energía eólica en cubiertas de edificaciones de gran altura. Este objetivo es alcanzado mediante un análisis exhaustivo de la influencia de la forma de la cubierta del edificio en el flujo del viento desde el punto de vista de la explotación energética del recurso eólico empleando herramientas de simulación numérica (CFD). Adicionalmente, la geometría de la edificación convencional (edificio prismático) es estudiada, y el posicionamiento adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores es propuesto. La compatibilidad entre el aprovechamiento de las energías solar fotovoltaica y eólica también es analizado en este tipo de edificaciones. La investigación prosigue con la optimización de la geometría de la cubierta. La metodología con la que se obtiene la geometría óptima consta de las siguientes etapas: - Verificación de los resultados de las geometrías previamente estudiadas en la literatura. Las geometrías básicas que se someten a examen son: cubierta plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica. - Análisis de la influencia de la forma de las aristas de la cubierta sobre el flujo del viento. Esta tarea se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados obtenidos para la arista convencional (esquina sencilla) con un parapeto, un voladizo y una esquina curva. - Análisis del acoplamiento entre la cubierta y los cerramientos verticales (paredes) mediante la comparación entre diferentes variaciones de una cubierta esférica en una edificación de gran altura: cubierta esférica estudiada en la literatura, cubierta esférica integrada geométricamente con las paredes (planta cuadrada en el suelo) y una cubierta esférica acoplada a una pared cilindrica. El comportamiento del flujo sobre la cubierta es estudiado también considerando la posibilidad de la variación en la dirección del viento incidente. - Análisis del efecto de las proporciones geométricas del edificio sobre el flujo en la cubierta. - Análisis del efecto de la presencia de edificaciones circundantes sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las contribuciones de la presente Tesis Doctoral pueden resumirse en: - Se demuestra que los modelos de turbulencia RANS obtienen mejores resultados para la simulación del viento alrededor de edificaciones empleando los coeficientes propuestos por Crespo y los propuestos por Bechmann y Sórensen que empleando los coeficientes estándar. - Se demuestra que la estimación de la energía cinética turbulenta del flujo empleando modelos de turbulencia RANS puede ser validada manteniendo el enfoque en la cubierta de la edificación. - Se presenta una nueva modificación del modelo de turbulencia Durbin k — e que reproduce mejor la distancia de recirculación del flujo de acuerdo con los resultados experimentales. - Se demuestra una relación lineal entre la distancia de recirculación en una cubierta plana y el factor constante involucrado en el cálculo de la escala de tiempo de la velocidad turbulenta. Este resultado puede ser empleado por la comunidad científica para la mejora del modelado de la turbulencia en diversas herramientas computacionales (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - La compatibilidad entre las energías solar fotovoltaica y eólica en cubiertas de edificaciones es analizada. Se demuestra que la presencia de los módulos solares provoca un descenso en la intensidad de turbulencia. - Se demuestran conflictos en el cambio de escala entre simulaciones de edificaciones a escala real y simulaciones de modelos a escala reducida (túnel de viento). Se demuestra que para respetar las limitaciones de similitud (número de Reynolds) son necesarias mediciones en edificaciones a escala real o experimentos en túneles de viento empleando agua como fluido, especialmente cuando se trata con geometrías complejas, como es el caso de los módulos solares. - Se determina el posicionamiento más adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores tomando en consideración la velocidad e intensidad de turbulencia del flujo. El posicionamiento de aerogeneradores es investigado en las geometrías de cubierta más habituales (plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica). - Las formas de aristas más habituales (esquina, parapeto, voladizo y curva) son analizadas, así como su efecto sobre el flujo del viento en la cubierta de un edificio de gran altura desde el punto de vista del aprovechamiento eólico. - Se propone una geometría óptima (o de altas prestaciones) para el aprovechamiento de la energía eólica urbana. Esta optimización incluye: verificación de las geometrías estudiadas en el estado del arte, análisis de la influencia de las aristas de la cubierta en el flujo del viento, estudio del acoplamiento entre la cubierta y las paredes, análisis de sensibilidad del grosor de la cubierta, exploración de la influencia de las proporciones geométricas de la cubierta y el edificio, e investigación del efecto de las edificaciones circundantes (considerando diferentes alturas de los alrededores) sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las investigaciones comprenden el análisis de la velocidad, la energía cinética turbulenta y la intensidad de turbulencia en todos los casos. ABSTRACT The HORIZON2020 European program in Future Smart Cities aims to have 20% of electricity produced by renewable sources. This goal implies the necessity to enhance the wind energy generation, both with large and small wind turbines. Wind energy drastically reduces carbon emissions and avoids geo-political risks associated with supply and infrastructure constraints, as well as energy dependence from other regions. Additionally, distributed energy generation (generation at the consumption site) offers significant benefits in terms of high energy efficiency and stimulation of the economy. The buildings sector represents 40% of the European Union total energy consumption. Reducing energy consumption in this area is therefore a priority under the "20-20-20" objectives on energy efficiency. The Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings aims to consider the installation of renewable energy supply systems in new designed buildings. Nowadays, there is a lack of knowledge about the optimum building shape for urban wind energy exploitation. The technological field of study of the present Thesis is the wind energy generation in urban environments. Specifically, the improvement of the building-roof shape with a focus on the wind energy resource exploitation. Since the wind flow around buildings is exhaustively investigated in this Thesis using numerical simulation tools, both computational fluid dynamics (CFD) and building aerodynamics are the scientific fields of study. The main objective of this Thesis is to obtain an improved (or optimum) shape of a high-rise building for the wind energy exploitation on the roof. To achieve this objective, an analysis of the influence of the building shape on the behaviour of the wind flow on the roof from the point of view of the wind energy exploitation is carried out using numerical simulation tools (CFD). Additionally, the conventional building shape (prismatic) is analysed, and the adequate positions for different kinds of wind turbines are proposed. The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies is also analysed for this kind of buildings. The investigation continues with the buildingroof optimization. The methodology for obtaining the optimum high-rise building roof shape involves the following stages: - Verification of the results of previous building-roof shapes studied in the literature. The basic shapes that are compared are: flat, pitched, shed, vaulted and spheric. - Analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow. This task is carried out by comparing the results obtained for the conventional edge shape (simple corner) with a railing, a cantilever and a curved edge. - Analysis of the roof-wall coupling by testing different variations of a spherical roof on a high-rise building: spherical roof studied in the litera ture, spherical roof geometrically integrated with the walls (squared-plant) and spherical roof with a cylindrical wall. The flow behaviour on the roof according to the variation of the incident wind direction is commented. - Analysis of the effect of the building aspect ratio on the flow. - Analysis of the surrounding buildings effect on the wind flow on the target building roof. The contributions of the present Thesis can be summarized as follows: - It is demonstrated that RANS turbulence models obtain better results for the wind flow around buildings using the coefficients proposed by Crespo and those proposed by Bechmann and S0rensen than by using the standard ones. - It is demonstrated that RANS turbulence models can be validated for turbulent kinetic energy focusing on building roofs. - A new modification of the Durbin k — e turbulence model is proposed in order to obtain a better agreement of the recirculation distance between CFD simulations and experimental results. - A linear relationship between the recirculation distance on a flat roof and the constant factor involved in the calculation of the turbulence velocity time scale is demonstrated. This discovery can be used by the research community in order to improve the turbulence modeling in different solvers (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies on building roofs is demonstrated. A decrease of turbulence intensity due to the presence of the solar panels is demonstrated. - Scaling issues are demonstrated between full-scale buildings and windtunnel reduced-scale models. The necessity of respecting the similitude constraints is demonstrated. Either full-scale measurements or wind-tunnel experiments using water as a medium are needed in order to accurately reproduce the wind flow around buildings, specially when dealing with complex shapes (as solar panels, etc.). - The most adequate position (most adequate roof region) for the different kinds of wind turbines is highlighted attending to both velocity and turbulence intensity. The wind turbine positioning was investigated for the most habitual kind of building-roof shapes (flat, pitched, shed, vaulted and spherical). - The most habitual roof-edge shapes (simple edge, railing, cantilever and curved) were investigated, and their effect on the wind flow on a highrise building roof were analysed from the point of view of the wind energy exploitation. - An optimum building-roof shape is proposed for the urban wind energy exploitation. Such optimization includes: state-of-the-art roof shapes test, analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow, study of the roof-wall coupling, sensitivity analysis of the roof width, exploration of the aspect ratio of the building-roof shape and investigation of the effect of the neighbouring buildings (considering different surrounding heights) on the wind now on the target building roof. The investigations comprise analysis of velocity, turbulent kinetic energy and turbulence intensity for all the cases.

Desarrollo y Aplicación de Herramientas Teóricas, Numéricas y Códigos Computacionales en Dinámica de Gases para Ingeniería Aeronáutica

Objetivos generales: • Desarrollo de un código utilizando programación orientada objeto y Fortran 2003 para simulación de flujos de gases de alta entalpía incluyendo efectos químicos. • Mejora de técnicas numéricas con la finalidad de simular flujos gas dinámicos con alta entalpía y químicamente activos. • Mejora de la comprensión del fenómeno de intermitencia caótica. • Mejorar en la comprensión, implementación y utilización del código openFOAM para la simulación de flujos de interés en la industria aeroespacial. Objetivos específicos: • Poseer la capacidad de simular las ecuaciones de la dinámica de gases tridimensionales, químicamente activas y dependientes del tiempo usando volúmenes finitos mediante códigos propios. • Continuar con el desarrollo de la nueva teoría que permite una descripción más adecuada y precisa del fenómeno de intermitencia como una de las rutas hacia el caos. • Adaptar el código openFoam para la simulación de la dinámica del flujo de gases con elevada entalpía y/o reactivos. • Aplicación de los códigos desarrollados a la simulación de flujos de interés aeronáutico tales como chorros supersónicos, flujos supersónicos alrededor de objetos en vuelo atmosférico y procesos de combustión difusiva. Resultados esperados • Obtención de un código numérico en volúmenes finitos mediante programación orientada a objeto desarrollado en la UNC con la capacidad de simular flujos gas-dinámicos, tridimensionales, viscosos, químicamente activos y dependientes del tiempo. Este código será la base para un programa de multifísica en flujos gaseosos que en un futuro deberá incluir ionización y simulación de flujos magnetohidrodinámicos compresibles. • Desarrollo y/o mejora de técnicas numéricas para la solución de flujos gas-dinámicos químicamente activos. Se continuará con la investigación que usa distintas funciones limitadoras para distintas ondas. • Mejora del conocimiento sobre fenómenos que presentan intermitencia caótica. Se continuará con la teoría que está actualmente en desarrollo por integrantes del grupo en colaboración con investigadores de universidades de España. Principalmente se pondrá énfasis para obtener una formulación más general de la teoría mediante el desarrollo de una técnica de perturbación que permita aproximar cualquier función no lineal que gobierna el proceso de reinyección. • Implementación del código openFOAM para simular flujos supersónicos y procesos de combustión. Se generarán librerías específicas para utilizar este software en aplicaciones de flujos compresibles. • Se espera alcanza una mejor descripción numérica del fenómeno de chorros supersónicos sub-expandidos que impactan sobre paredes sólidas.

Steps towards fully nonlinear simulations of arrays of OWSC

Abandonment of farming systems on upland areas in southwest Britain during the Late Bronze Age – some 3000 years ago – is widely considered a ‘classic’ demonstration of the impact of deteriorating climate on the vulnerability of populations in such marginal environments. Here we test the hypothesis that climate change drove the abandonment of upland areas by developing new chronologies for human activity on upland areas during the Bronze Age across southwest Britain (Dartmoor, Exmoor and Bodmin Moor). We find Bronze Age activity in these areas spanned 3900–2950 calendar years ago with abandonment by 2900 calendar years ago. Holocene Irish bog and lake oak tree populations provide evidence of major shifts in hydroclimate across western Britain and Ireland, coincident with ice rafted debris layers recognized in North Atlantic marine sediments, indicating significant changes in the latitude and intensity of zonal atmospheric circulation across the region. We observe abandonment of upland areas in southwest Britain coinciding with a sustained period of extreme wet conditions that commenced 3100 calendar years ago. Our results are consistent with the view that climate change increased the vulnerability of these early farming communities and led to a less intensive use of such marginal environments across Britain.

Roof region dependent wind potential assessment with different RANS turbulence models.

The analysis of the wind flow around buildings has a great interest from the point of view of the wind energy assessment, pollutant dispersion control, natural ventilation and pedestrians wind comfort and safety. Since LES turbulence models are computationally time consuming when applied to real geometries, RANS models are still widely used. However, RANS models are very sensitive to the chosen turbulence parametrisation and the results can vary according to the application. In this investigation, the simulation of the wind flow around an isolated building is performed using various types of RANS turbulence models in the open source code OpenFOAM, and the results are compared with benchmark experimental data. In order to confirm the numerical accuracy of the simulations, a grid dependency analysis is performed and the convergence index and rate are calculated. Hit rates are calculated for all the cases and the models that successfully pass a validation criterion are analysed at different regions of the building roof, and the most accurate RANS models for the modelling of the flow at each region are identified. The characteristics of the wind flow at each region are also analysed from the point of view of the wind energy generation, and the most adequate wind turbine model for the wind energy exploitation at each region of the building roof is chosen.

SIMULATIONS OF NEWTONIAN AND NON-NEWTONIAN FLOWS IN DEFORMABLE TUBES

Computational models for the investigation of flows in deformable tubes are developed and implemented in the open source computing environment OpenFOAM. Various simulations for Newtonian and non-Newtonian fluids under various flow conditions are carried out and analyzed. First, simulations are performed to investigate the flow of a shear-thinning, non-Newtonian fluid in a collapsed elastic tube and comparisons are made with experimental data. The fluid is modeled by means of the Bird-Carreau viscosity law. The computational domain of the deformed tube is constructed from data obtained via computer tomography imaging. Comparison of the computed velocity fields with the ultrasound Doppler velocity profile measurements show good agreement, as does the adjusted pressure drop along the tube's axis. Analysis of the shear rates show that the shear-thinning effect of the fluid becomes relevant in the cross-sections with the biggest deformation. The peristaltic motion is simulated by means of upper and lower rollers squeezing the fluid along a tube. Two frames of reference are considered. In the moving frame the computational domain is fixed and the coordinate system is moving with the roller speed, and in the fixed frame the roller is represented by a deforming mesh. Several two-dimensional simulations are carried out for Newtonian and non-Newtonian fluids. The effect of the shear-thinning behavior of the fluid on the transport efficiency is examined. In addition, the influence of the roller speed and the gap width between the rollers on the xxvii transport efficiency is discussed. Comparison with experimental data is also presented and different types of moving waves are implemented. In addition, the influence of the roller speed and the gap width between the rollers on the transport efficiency is discussed. Comparison with experimental data is also presented and different types of moving waves are implemented.

Étude Numérique d'identification des sources acoustiques d'une pale de ventilateur

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.