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.

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.

Tridimensional simulation of the speed, pressure and turbulence fields of the air flow on the geometry of a freight truck inside a wind tunnel

This study shows the air flow behavior through the geometry of a freight truck inside a AF6109 wind tunnel with the purpose to predict the speed, pressure and turbulence fields made by the air flow, to decrease the aerodynamic resistance, to calculate the dragging coefficient, to evaluate the aerodynamics of the geometry of the prototype using the CFD technique and to compare the results of the simulation with the results obtained experimentally with the “PETER 739 HAULER” scaled freight truck model located on the floor of the test chamber. The Geometry went through a numerical simulation process using the CFX 5,7. The obtained results showed the behavior of the air flow through the test chamber, and also it showed the variations of speed and pressure at the exit of the chamber and the calculations of the coefficient and the dragging force on the geometry of the freight truck. The evaluation of the aerodynamics showed that the aerodynamic deflector is a device that helped the reduction the dragging produced in a significant way by the air. Furthermore, the dragging coefficient and force on the prototype freight truck could be estimated establishing an incomplete similarity.

Aerodynamic Modelling for a Morphing Rudder

The appearance of new materials and smaller and more capable actuators enable the morphing controlled deformation of the aerodynamic shape of wing like type of structures. This contribution presents the applied aerodynamics studies of a morphing rudder for a commercial transport aircraft. The conventional rudder aerodynamics is CFD modeled and the results correlated to certification loads report. The morphing rudder CFD model predicts better aerodynamics efficiency in relation to the conventional one. This conclusion is the first step for future commercial aircraft Vertical Tail Plane weight reductions with morphing rudder implementation.

Aeroelastic effects in a traffic sign panel induced by a passing vehicle

Here, a simple theoretical model of the vehicle induced flow and its effects on traffic sign panels is presented. The model is a continuation of a previous one by Sanz-Andrés and coworkers, now including the flexibility of the panel (and, therefore, the flow effects associated to the motion of the panel). Through the paper an aeroelastic one-degree-of-freedom model is developed and the flow effects are computed from unsteady potential theory. The influence of panel's mechanical properties (mass, damping ratio, and stiffness) in the motion induced forces are numerically analyzed.

Pedestrian wind comfort: feasibility study of criteria homogenisation

One of the aims of COST C14 action is the assessment and evaluation of pedestrian wind comfort. At present there is no general rule available that is applied across Europe. There are several criteria that have been developed and applied in different countries. These criteria are based on the definition of two independent parameters, a threshold effective wind speed and a probability of exceedence of this threshold speed. The difficulty of the criteria comparison arises from the two-dimensional character of the criteria definition. An effort is being made to compare these criteria, trying both to find commonalities and to clearly identify differences, in order to build up the basis for the next step: to try to define common criteria (perhaps with regional and seasonal variations). The first point is to define clearly the threshold effective wind speed (mean velocity definition parameters: averaging interval and reference height) and equivalence between different ways of defining the threshold effective wind speed (mean wind speed, gust equivalent mean, etc.) in comparable terms (as far as possible). It can be shown that if the wind speed at a given location is defined in terms of a probability distribution, e.g. Weibull function, a given criterion is satisfied by an infinite set of wind conditions, that is, of probability distributions. The criterion parameters and the Weibull function parameters are linked to each other, establishing a set called iso-criteria lines (the locus of the Weibull function parameters that fulfil a given criterion). The relative position of iso-criteria lines when displayed in a suitable two-dimensional plane facilitates the comparison of comfort criteria. The comparison of several wind comfort criteria, coming from several institutes is performed, showing the feasibility and limitations of the method.

Vehicle induced loads on pedestrian barriers

This paper is a continuation of a previous one, Sanz-Andrés, Santiago-Prowald, Baker and Quinn (J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 91 (2003) 925) concerning the loads generated on a structural panel (traffic sign) by vehicle running along the road, although obviously, the results are also applicable to the effects of other moving vehicles such as trains. The structural panel was modelized as a large plate whose largest dimension is perpendicular to the vehicle motion direction. In this paper a similar approach is used to develop a mathematical model for the vehicle-induced load on pedestrian barriers, modelized as a large plate whose largest dimension is parallel to the vehicle motion direction. The purpose of the work is to develop a model simple enough to give analytical results, although with the physical phenomena correctly accounted for, such as to be able to explain, at least qualitatively, the main characteristics of the phenomenon, as observed in the experiments performed by Quinn et al. (J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 89 (2001) 831). Actually, in spite of the model simplicity, results of the theoretical model show a reasonable good quantitative agreement with the experimental results. The aim of this and previous publications is to provide to the transport infrastructure community with some simple tools that can help to explain, and in some cases also to compute, the unsteady loading produced by moving vehicles on persons and installations placed close to the roads or tracks.

Vehicle-induced force on pedestrians

The main object of this study is to contribute to the study of the train-induced force on pedestrians with a theoretical model based on unsteady potential flow. The same method can be applied to other bodies and other kind of moving vehicles. The outcome of this theoretical model is that the force coefficient (referred to the vehicle speed and the pedestrian cross-section diameter) acting on the pedestrian are proportional to a single parameter which involves the pedestrian cross-section diameter, the vehicle cross-section area and the distance between the pedestrian and the vehicle. The results of the present model concerning the change in modulus and orientation experienced by the pedestrian, as the vehicles pass by, has a similar appearance to that considered in the European standards. The results obtained are mainly qualitative because of the simplifying assumptions needed to obtain a simple formulation leading to analytical results, except in the case of a vehicle with streamlined front shapes, where quantitative results can be expected.

Vehicle-induced loads on traffic sign panels

The determination of the loads on traffic sign panels in the current standards does not, in general, take into account the vehicle-induced loads, as explained by Quinn, Baker and Wright (QBW in what follows) (J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 89 (2001) 831). On the other hand, a report from Cali and Covert (CC) (J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 84 (2000) 87) indicates that in highway sign support structures, vehicle-induced loads have led to premature failures in some cases. The aim of this paper is to present a mathematical model for the vehicle-induced load on a flat sign panel, simple enough to give analytical results, but able to explain the main characteristics of the phenomenon. The results of the theoretical model help to explain the behaviour observed in the experiments performed in previous studies.

Train-induced pressure on pedestrians

A simple analytical model for the train-induced flow and its effects on pedestrians is presented in this paper. The expressions developed for the induced air velocity and pressure on the pedestrian surface, as well as their dependence with time, are obtained from unsteady potential theory. The relevant parameters and their effects are analysed, in particular the sensitivity of the pressure coefficient and its rate of change on the train and pedestrian transverse size, the distance to the tracks and the pressure measurement location on the pedestrian surface. In spite of the extreme simplicity of the model and the expressions obtained, good correlation is observed with previously existing experiments. With this work, an absence of published studies concerning analytical approaches to the problem of vehicle-induced pressure on pedestrians is intended to be covered, allowing for simplified testing procedures.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.

On sonic anemometer measurement theory

In this paper a model for the measuring process of sonic anemometers (ultrasound pulse based) is presented. The differential equations that describe the travel of ultrasound pulses are solved in the general case of non-steady, non-uniform atmospheric flow field. The concepts of instantaneous line-average and travelling pulse-referenced average are established and employed to explain and calculate the differences between the measured turbulent speed (travelling pulse-referenced average) and the line-averaged one. The limit k1l=1 established by Kaimal in 1968, as the maximum value which permits the neglect of the influence of the sonic measuring process on the measurement of turbulent components is reviewed here. Three particular measurement cases are analysed: A non-steady, uniform flow speed field, a steady, non-uniform flow speed field and finally an atmospheric flow speed field. In the first case, for a harmonic time-dependent flow field, Mach number, M (flow speed to sound speed ratio) and time delay between pulses have revealed themselves to be important parameters in the behaviour of sonic anemometers, within the range of operation. The second case demonstrates how the spatial non-uniformity of the flow speed field leads to an influence of the finite transit time of the pulses (M≠0) even in the absence of non-steady behaviour of the wind speed. In the last case, a model of the influence of the sonic anemometer processes on the measurement of wind speed spectral characteristics is presented. The new solution is compared to the line-averaging models existing in the literature. Mach number and time delay significantly distort the measurement in the normal operational range. Classical line averaging solutions are recovered when Mach number and time delay between pulses go to zero in the new proposed model. The results obtained from the mathematical model have been applied to the calculation of errors in different configurations of practical interest, such as an anemometer located on a meteorological mast and the transfer function of a sensor in an atmospheric wind. The expressions obtained can be also applied to determine the quality requirements of the flow in a wind tunnel used for ultrasonic anemometer calibrations.

La ciudad y el viento : la morfología urbana y su relación con el uso estancial del espacio público abierto en territorios con vientos fuertes y climas fríos : el caso de la ciudad de Punta Arenas, región de Magallanes, Chile

El presente trabajo ahonda en el conocimiento del viento urbano. La investigación pasa revista a la historia de la relación del viento y la ciudad y revisa tres pares de disciplinas implicadas en comprender mejor dicha relación: la arquitectura y el urbanismo, la meteorología y la climatología y, por último, la ingeniería aeroespacial y la aerodinámica civil. Se estudian el comportamiento y la fluidez del viento al desplazarse por cuerpos romos no fuselados (los edificios y la trama urbana), así como sus efectos dentro de la ciudad. Asimismo, se examinan las metodologías existentes para comprenderlo, medirlo y analizarlo, desde los estudios de proporción y modelamiento en túneles de viento hasta las simulaciones virtuales y las dinámicas de fluidos CFD. Posteriormente se reconoce un caso de estudio que permite analizar el viento como un factor aislado, pero desde los parámetros morfológicos de una ciudad en la que se generan patrones aerodinámicos muy característicos: Punta Arenas, la ciudad más austral del mundo, donde los vientos corren casi siempre desde la misma dirección, el “oeste”, a más de 33,3 m/s, lo que equivale a 120 Km/h. La hipótesis de la investigación es que la morfología del casco histórico de Punta Arenas genera patrones aerodinámicos que condicionan el bienestar en los espacios públicos. El objetivo general de la investigación es estudiar los efectos aerodinámicos presentes en la morfología urbana para mejorar la permanencia en los espacios públicos, proponiendo estrategias para el desarrollo morfológico y volumétrico de los cuerpos edificados. En el desarrollo del caso de estudio se reconocen, al interior del cañón urbano, las temperaturas, los índices de asoleamiento y sus conos de sombra, la dirección del viento y la visualización del vórtice al interior del cañón urbano, para determinar cómo estos factores impactan en el espacio público. Las conclusiones indican que los patrones aerodinámicos presentes en la morfología urbana conducen el viento hacia los espacios públicos que se encuentran o desprotegidos del viento o con excesiva turbulencias, por tanto, los patrones aerodinámicos inciden en el uso estancial de los espacios públicos, generando problemas mecánicos al peatón e incidiendo en la sensación térmica en dichos espacios. Ello permite confirmar que es posible modificar y mejorar el uso de los espacios públicos si somos capaces de modelar la morfología urbana con el fin de reorientar los patrones aerodinámicos que afectan significativamente a dichos espacios. ABSTRACT This work deepens into the knowledge of urban wind. The study reviews the history of the relationship between the wind and the city and reviews three pairs of disciplines involved in understanding better these relationship: Architecture and Urbanism, Meteorology and Climatology and, finally, Aerospace and Civil Aerodynamics. The behavior and flow of wind through blunt bodies not fairings (the buildings and the urban fabric) and its effects within the city are studied. Also, existing methodologies to understand, measure and analyze the wind are examined, from the studios of proportion and modeling in wind tunnels to virtual simulations and fluid dynamics CFD. Subsequently, a case study to analyze the wind as an isolated factor is recognized, but from the morphological parameters of a city where very characteristic aerodynamic patterns are generated: Punta Arenas, the southernmost city in the world, where the winds run almost always from the same direction, the "West", at more than 33.3 m/s, which is equivalent to 120 km/h. The research hypothesis is that the morphology of the historic center of Punta Arenas generates aerodynamic patterns that determine the well-being in public spaces. The overall objective of the research is to study the aerodynamic effects present in the urban morphology to improve retention in public spaces, proposing strategies for morphological and volumetric development of the built bodies. In developing the case study are recognized, within the urban canyon, temperatures, rates of sunlight and shadow cones, wind direction and visualization of the vortex into the urban canyon, to determine how these factors impact in public space. The findings indicate that the aerodynamic patterns in urban morphology lead wind to public spaces that are unprotected or find themselves in a condition of excessive wind or turbulence; therefore, aerodynamic patterns affect the use of public spaces, generating mechanical problems for pedestrians and affecting the thermal sensation in such spaces. This confirms that it is possible to modify and improve the use of public spaces if we are able to model the urban morphology in order to reorient the aerodynamic patterns that significantly affect those spaces.

Instabilidades MHD no Tokamak TCABR

Este trabalho descreve o estudo das instabilidades magneto-hidro-dinâmicas (MHD) comumente observadas nas descargas elétricas de plasma no tokamak TCABR, do Instituto de Física da USP. Dois diagnósticos principais foram empregados para observar essas instabilidades: um conjunto poloidal de 24 bobinas magnéticas (bobinas de Mirnov) colocadas próximas à borda do plasma e um medidor de emissões na faixa do Ultra Violeta e de raios X moles com 20 canais (sistema SXR), cujo circuito de condicionamento de sinais foi aprimorado como parte deste trabalho. Esses diagnósticos foram escolhidos porque fornecem informações complementares, uma vez que o sistema SXR observa a parte central da coluna de plasma, enquanto as bobinas de Mirnov detectam as instabilidades MHD na região mais externa da coluna. As informações coletadas por esses diagnósticos foram submetidas à análise espectral com resolução temporal e espacial, possibilitando determinar a evolução das características espectrais e espaciais das instabilidades MHD observadas. Essas análises revelaram que durante a etapa inicial da formação do plasma (quando a corrente de plasma ainda está aumentando) ilhas magnéticas com números de onda decrescente, identificadas como sendo modos kink de borda, são detectadas nas bobinas de Mirnov. Após a formação do plasma, quando os parâmetros de equilíbrio estão relativamente estáveis (platô), oscilações são detectadas tanto nas bobinas de Mirnov quanto no sistema de SXR, indicando a presença de instabilidades MHD em toda a coluna de plasma. Em geral as oscilações medidas nas bobinas de Mirnov tem baixa amplitude e correspondem a pequenas ilhas magnéticas que foram identificadas como sendo modos de ruptura (modos tearing). Por outro lado, as instabilidades na região central foram identificadas como dentes de serra, que correspondem a relaxações periódicas da região interna à superfície magnética com fator de segurança q=1 e que são acompanhadas de oscilações precursoras, cuja amplitude depende da fase do ciclo de relaxação. Devido à essa modulação de amplitude, aparecem picos de frequência satélite nos espectrogramas dos sinais do SXR. Além disso, devido ao fato dos ciclos de relaxação não serem sinusoidais, os harmônicos da frequência de relaxação também aparecem nesses espectrogramas. No entanto, em muitas descargas do TCABR, a intensidade das oscilações medidas nas bobinas de Mirnov aumentam significativamente durante o platô, com efeitos sobre a frequência de todas as instabilidades MHD, até mesmo sobre os dentes de serra localizados na região central da coluna. Em todos os casos, observou-se que durante o platô a frequência das ilhas magnéticas coincide com a frequência das oscilações precursoras do dente de serra, apesar de serem duas instabilidades distintas, localizadas em posições radiais muito diferentes. Essa coincidência de frequências possibilitou descrever a evolução em frequência de todas as oscilações detectadas em diversos diagnósticos com base em apenas duas frequências básicas: a dos ciclos de relaxação dente de serra e a das ilhas magnéticas.