Aerodynamic loads on bluff bodies under wind gusts

Esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de las cargas aerodinámicas no estacionario en romos cuerpos o no aerodinámicos (bluff bodies). Con este objetivo se han identificado y analizado los siguientes puntos: -Caracterización del flujo medido con diferentes tipos de tubos de Pitot y anemómetro de hilo caliente en condiciones de flujo no estacionario inestable generado por un túnel aerodinamico de ráfagas. -Diseño e integración de los montajes experimentales requeridos para medir las cargas de viento internas y externas que actúan sobre los cuerpos romos en condiciones de flujo de viento con ráfagas. -Implementación de modelos matemáticos semi-empíricos basados en flujo potencial y las teorías fenomenológicas pertinentes para simular los resultados experimentales. -En diversan condiciones de flujo con ráfagas, la identificación y el análisis de la influencia de los parámetros obtenida a partir de los modelos teóricos desarrollados. -Se proponen estimaciones empíricas para averiguar los valores adecuados de los parámetros que influyente, mediante el ajuste de los resultados experimentales y los predichos teóricamente. Los montajes experimentales se has reakizado en un tunel aerodinamico de circuito abierto, provisto de baja velocidad, cámara de ensayes cerrada, un nuevo concepto de mecanismo generador de ráfaga sinusoidal, diseñado y construido en el Instituto de Microgravedad "Ignacio Da Riva" de la Universidad Politécnica de Madrid, (IDR / UPM). La principal característica de este túnel aerodynamico es la capacidad de generar un flujo con un perfil de velocidad uniforme y una fluctuación sinusoidal en el tiempo. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar el efecto de los flujos no estacionarios en cuerpos romos situados en el suelo. Se han propuesto dos modelos teóricos para diterminar las cargas de presión externas e internas respectivamente. Con el fin de satisfacer la necesidad de la crea ráfagas de viento sinusoidales para comprobar las predicciones de los modelos teóricos, se han obtenido velocidades de hasta 30 m/s y frecuencias ráfaga de hasta 10 Hz. La sección de la cámara de ensayos es de 0,39 m x 0,54 m, dimensiónes adecuadas para llevar a cabo experimentos con modelos de ensayos. Se muestra que en la gama de parámetros explorados los resultados experimentales están en buen acuerdo con las predicciones de los modelos teóricos. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar los efectos del flujo no estacionario, las cuales pueden ayudar a aclarar el fenómeno de las cargas de presión externa sobre los cuerpos romos sometidos a ráfagas de viento: y tambien para determinan las cargas de presión interna, que dependen del tamaño de los orificios de ventilación de la construcción. Por último, se ha analizado la contribución de los términos provenientes del flujo no estacionario, y se han caracterizado o los saltos de presión debido a la pérdida no estacionario de presión a través de los orificios de ventilación. ABSTRACT This Doctoral dissertation has been focused to study the unsteady aerodynamic loads on bluff bodies. To this aim the following points have been identified and analyzed: -Characterization of the flow measured with different types of Pitot tubes and hot wire anemometer at unsteady flow conditions generated by a gust wind tunnel. -Design and integrating of the experimental setups required to measure the internal and external wind loads acting on bluff bodies at gusty wind flow conditions. -Implementation of semi-empirical mathematical models based on potential flow and relevant phenomenological theories to simulate the experimental results.-At various gusty flow conditions, extracting and analyzing the influence of parameters obtained from the developed theoretical models. -Empirical estimations are proposed to find out suitable values of the influencing parameters, by fitting the experimental and theoretically predicted results. The experimental setups are performed in an open circuit, closed test section, low speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” of the Universidad Politécnica de Madrid, (IDR/UPM). The main characteristic of this wind tunnel is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and a sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental tests have been devoted to study the effect of unsteady flows on bluff bodies lying on the ground. Two theoretical models have been proposed to measure the external and internal pressure loads respectively. In order to meet the need of creating sinusoidal wind gusts to check the theoretical model predictions, the gust wind tunnel maximum flow speed and, gust frequency in the test section have been limited to 30 m/s and 10 Hz, respectively have been obtained. The test section is 0.39 m × 0.54 m, which is suitable to perform experiments with testing models. It is shown that, in the range of parameters explored, the experimental results are in good agreement with the theoretical model predictions. Experimental tests have been performed to study the unsteady flow effects, which can help in clarifying the phenomenon of the external pressure loads on bluff bodies under gusty winds: and also to study internal pressure loads, which depend on the size of the venting holes of the building. Finally, the contribution of the unsteady flow terms in the theoretical model has been analyzed, and the pressure jumps due to the unsteady pressure losses through the venting holes have been characterized.

A study on the inclusion of forest canopy morphology data in numerical simulations for the purpose of wind resource assessment

A series of numerical simulations of the flow over a forest stand have been conducted using two different turbulence closure models along with various levels of canopy morphology data. Simulations have been validated against Stereoscopic Particle Image Velocimetry measurements from a wind tunnel study using one hundred architectural model trees, the porosities of which have been assessed using a photographic technique. It has been found that an accurate assessment of the porosity of the canopy, and specifically the variability with height, improves simulation quality regardless of the turbulence closure model used or the level of canopy geometry included. The observed flow field and recovery of the wake is in line with characteristic canopy flows published in the literature and it was found that the shear stress transport turbulence model was best able to capture this detail numerically.

Wind pumps for irrigating greenhouse crops: Comparison in different socio-economical frameworks

A methodology is applied for economic evaluation of water pumping technologies. Different socioeconomic frameworks are considered for Spain, Cuba and Pakistan. The levelised cost of energy is used to determine the best technology. Wind speed, distance to grid, water storage size and elevation are considered. The water elevation has greater influence on wind pumps than on solar PV pumping.

Consideration of tip speed limitations in preliminary analysis of minimum COE wind turbines

A relation between Cost Of Energy, COE, maximum allowed tip speed, and rated wind speed, is obtained for wind turbines with a given goal rated power. The wind regime is characterised by the corresponding parameters of the probability density function of wind speed. The non-dimensional characteristics of the rotor: number of blades, the blade radial distributions of local solidity, twist angle, and airfoil type, play the role of parameters in the mentioned relation. The COE is estimated using a cost model commonly used by the designers. This cost model requires basic design data such as the rotor radius and the ratio between the hub height and the rotor radius. Certain design options, DO, related to the technology of the power plant, tower and blades are also required as inputs. The function obtained for the COE can be explored to �nd those values of rotor radius that give rise to minimum cost of energy for a given wind regime as the tip speed limitation changes. The analysis reveals that iso-COE lines evolve parallel to iso-radius lines for large values of limit tip speed but that this is not the case for small values of the tip speed limits. It is concluded that, as the tip speed limit decreases, the optimum decision for keeping minimum COE values can be: a) reducing the rotor radius for places with high weibull scale parameter or b) increasing the rotor radius for places with low weibull scale parameter

Detecting and characterising ramp events in wind power time series

In order to implement accurate models for wind power ramp forecasting, ramps need to be previously characterised. This issue has been typically addressed by performing binary ramp/non-ramp classifications based on ad-hoc assessed thresholds. However, recent works question this approach. This paper presents the ramp function, an innovative wavelet- based tool which detects and characterises ramp events in wind power time series. The underlying idea is to assess a continuous index related to the ramp intensity at each time step, which is obtained by considering large power output gradients evaluated under different time scales (up to typical ramp durations). The ramp function overcomes some of the drawbacks shown by the aforementioned binary classification and permits forecasters to easily reveal specific features of the ramp behaviour observed at a wind farm. As an example, the daily profile of the ramp-up and ramp-down intensities are obtained for the case of a wind farm located in Spain

The effect of scour protections in offshore wind farms

The installation of offshore scour protection systems in offshore wind farms allows avoid the effect of scour phenomenon around these structures. Up to date, numerous research projects have been carried out to justify the necessity of the scour protection systems and also to optimize their design. Protection systems based on riprap is frequently used due to its low cost and easy availability compared to other solutions such as geotextile bags or prefabricated concrete blocks. The sizing of these structures can be performed according to a series of recommendations that can optimize the costs associated with them, but there have been only few studies with real data up to now which have allowed identify the need for such protections. This investigation aims to assess the functionality of the scour protections adopted through the available data about their characteristics and the scour depth developed around the foundations. In this sense, this paper presents the results of a study that analyzes the functionality of scour protections in different European offshore wind farms.

Flight dynamics and stability of kites in steady and unsteady wind conditions

The flight dynamics and stability of a kite with a single main line flying in steady and unsteady wind conditions are discussed. A simple dynamic model with five degrees of freedom is derived with the aid of Lagrangian formulation, which explicitly avoids any constraint force in the equations of motion. The longitudinal and lateral–directional modes and stability of the steady flight under constant wind conditions are analyzed by using both numerical and analytical methods. Taking advantage of the appearance of small dimensionless parameters in the model, useful analytical formulas for stable-designed kites are found. Under nonsteady wind-velocity conditions, the equilibrium state disappears and periodic orbits occur. The kite stability and an interesting resonance phenomenon are explored with the aid of a numerical method based on Floquet theory.

El comportamiento del viento en la morfología urbana y su incidencia en el uso estancial del espacio público, Punta Arenas, Chile = The behavior of wind in urban morphology and its incidence in the resting use of public space, Punta Arenas, Chile

El comportamiento del viento en la morfología urbana y su incidencia en el uso estancial del espacio público, Punta Arenas, Chile = The behavior of wind in urban morphology and its incidence in the resting use of public space, Punta Arenas, Chile

Using aircraft as wind sensors for estimating accurate wind fields for air traffic management applications

A study which examines the use of aircraft as wind sensors in a terminal area for real-time wind estimation in order to improve aircraft trajectory prediction is presented in this paper. We describe not only different sources in the aircraft systems that provide the variables needed to derivate the wind velocity but the capabilities which allow us to present this information for ATM Applications. Based on wind speed samples from aircraft landing at Madrid-Barajas airport, a real-time wind field will be estimated using a data processing approach through a minimum variance method. Finally the accuracy of this procedure will be evaluated for this information to be useful to Air Traffic Control.

Power-frequency control of hydropower plants with long penstocks in isolated systems with wind generation

In this paper the power-frequency control of hydropower plants with long penstocks is addressed. In such configuration the effects of pressure waves cannot be neglected and therefore commonly used criteria for adjustment of PID governors would not be appropriate. A second-order Π model of the turbine-penstock based on a lumped parameter approach is considered. A correction factor is introduced in order to approximate the model frequency response to the continuous case in the frequency interval of interest. Using this model, several criteria are analysed for adjusting the PI governor of a hydropower plant operating in an isolated system. Practical criteria for adjusting the PI governor are given. The results are applied to a real case of a small island where the objective is to achieve a generation 100% renewable (wind and hydro). Frequency control is supposed to be provided exclusively by the hydropower plant. It is verified that the usual criterion for tuning the PI controller of isolated hydro plants gives poor results. However, with the new proposed adjustment, the time response is considerably improved

Wind tunnel experiments to teach physics

Innovative teaching experimental activities for secondary school students have been developed in order to introduce some aerodynamic concepts, with the aim of making science subjects such as mathematics and physics more attractive. Post-graduate students of Universidad Politécnica de Madrid (UPM) and teachers of Deutsche Schule Madrid (DSM) have constructed a small wind tunnel. The main goal has been to provide a tool for secondary school students to become familiar with the scientific method developing curiosity, imagination, initiative, critical thinking and problem-solving skills. Students of DSM have performed wind tunnel experiments, resulting in a successful and amusing experience. The students were able to relate the experimental results obtained with the physic principle of flight, previously explained in class. Evaluations reveal that both, the teacher and the students, considered the experience as interesting and helpful to lead with teaching physics, mathematics and engineering sciences. The teacher observed the strong motivation factor developed for the students to continue learning engineering sciences. Some of the students expressed that this experience had changed their prejudices about physics and mathematics, based only on theoretical approaches.

Influencia del viento en los ensayos de rebase en modelo físico a escala reducida = Wind effect on wave overtopping in physical model test

El artículo que se presenta a continuación recoge la ampliación de una investigación previa sobre los rebases en los espaldones de los diques verticales y en talud. Para ello se han realizado una serie de ensayos en modelo físico a escala reducida sobre la sección vertical del Dique de Levante de Málaga, cuyo objeto principal fue analizar el efecto del viento en el rebase. Los ensayos se han realizado generando oleaje con y sin viento, comparando los resultados obtenidos en cada una de las dos situaciones y se han llevado a cabo en el Canal de Oleaje y Viento de Gran Escala existente en el Laboratorio de Experimentación Marítima del Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX. The purpose of the research work as summarised in this article, resulting from diverse work carried out at the CEDEX, is to make an analysis of the influence of wind effects on the wave overtopping of vertical sea-walls. The results obtained in the Málaga´s Levante breakwater tests are presented here. The test was carried out in large sized facilities where waves and wind are generated.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine

La industria de la energía eólica marina ha crecido de forma significativa durante los últimos 15 años, y se espera que siga creciendo durante los siguientes. La construcción de torres en aguas cada vez más profundas y el aumento en potencia y tamaño de las turbinas han creado la necesidad de diseñar estructuras de soporte cada vez más fiables y optimizadas, lo que requiere un profundo conocimiento de su comportamiento. Este trabajo se centra en la respuesta dinámica de una turbina marina con cimentación tipo monopilote y sobre la que actúa la fuerza del viento. Se han realizado cálculos con distintas propiedades del suelo para cubrir un rango de rigideces que va desde una arena muy suelta a una muy densa. De este modo se ha analizado la influencia que tiene la rigidez del suelo en el comportamiento de la estructura. Se han llevado a cabo análisis estáticos y dinámicos en un modelo de elementos finitos implementado en Abaqus. El desplazamiento en la cabeza de la torre y la tensión en su base se han obtenido en función de la rigidez del suelo, y con ellos se ha calculado la amplificación dinámica producida cuando la frecuencia natural del sistema suelo‐cimentación torre se aproxima a la frecuencia de la carga. Dos diferentes enfoques a la hora de modelizar el suelo se han comparado: uno utilizando elementos continuos y otro utilizando muelles elásticos no lineales. Por último, un análisis de fiabilidad se ha llevado a cabo con un modelo analítico para calcular la probabilidad de resonancia del sistema, en el que se han considerado las propiedades de rigidez del suelo como variables aleatorias. Offshore wind energy industry has experienced a significant growth over the past 15 years, and it is expected to continue its growth in the coming years. The expansion to increasingly deep waters and the rise in power and size of the turbines have led to a need for more reliable and optimized support designs, which requires an extensive knowledge of the behaviour of these structures. This work focuses on the dynamic response of an offshore wind turbine founded on a monopile and subjected to wind loading. Different soil properties have been considered in order to cover the range of stiffness from a very loose to a very dense sand. In this way, the influence of stiffness on the structure behaviour has been assessed. Static and dynamic analyses have been carried out by means of a finite element model implemented in Abaqus. Head displacement and stress at the tower base have been obtained as functions of soil stiffness, and they have been used to calculate the dynamic amplification that is produced when the natural frequency of the system soil‐foundation‐tower approaches the load frequency. Two different approaches of soil modelling have been compared: soil modelled as a continuum and soil simulated with non linear elastic springs. Finally, a reliability analysis to assess the probability of resonance has been performed with an analytical model, in which soil stiffness properties are considered as stochastic variables.

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.