Aerodinámica no-estacionaria en perfiles de aerogeneradores

Resumen

El objetivo de esta tesis es estudiar el comportamiento no estacionario de perfiles romos y fuselados. Esta problemática tiene particular interés en el campo de la energía eólica debido a que las palas de los aerogeneradores, en su funcionamiento normal, se flexionan y se torsionan produciendo un flujo no estacionario alrededor de las palas, dando origen a fenómenos no lineales que resultan en que el comportamiento aerodinámico de la turbina eólica difiera del comportamiento estático que puede ser estimado mediante las teorías clásicas de rotores. Por otro lado, se estudian las configuraciones altamente inestables de cuerpos romos bidimensionales como un medio de extracción de energía. El presente trabajo de tesis pretende aumentar el conocimiento de estos fenómenos; para ello, se analiza experimentalmente el comportamiento dinámico de cuerpos romos y perfiles fuselados en túnel aerodinámico. La tesis comienza con una breve introducción al contexto energético en que se desarrolla la investigación, más específicamente en materia de energía eólica, y el planteamiento de la problemática. Después se aborda el análisis experimental de los perfiles en tres etapas, la primera con prismas de sección rómbica y triangular en galope transversal, la segunda con perfiles fuselados en oscilación con un solo grado de libertad y la última, con los mismos perfiles fuselados pero con un movimiento de oscilación acoplada con dos grados de libertad. Cada una de estas etapas se presenta como un capítulo de la tesis. El análisis de los cuerpos romos bidimensionales estudia la dependencia de la estabilidad del movimiento en un parámetro geométrico; en el caso de la sección rómbica se comparan tres valores de espesor relativo, mientras que en la sección triangular son tres valores del ángulo del vértice principal. Se responde al por qué una sección rómbica, que generalmente es inestable, muestra un rango de valores de espesor relativo donde parece ser estable. Para ello se hacen experimentos en túnel aerodinámico, y se desarrolla el mecanismo que permite a los cuerpos galopar libremente en dirección transversal a la corriente, mientras se cambia la velocidad del fluido y se mide la amplitud del movimiento. Para profundizar en el comportamiento del fluido alrededor del cuerpo, se hacen mediciones de la distribución de presiones en la superficie de uno de los prismas rómbicos. De entre los resultados más relevantes, se confirmó que un prisma de sección transversal rómbica presenta estabilidad en una pequeña región definida por 0.36 < t < 0.40 y que esta estabilidad, a ángulos de ataque pequeños, se establece a partir de la burbuja de recirculación formada en las superficies superiores de la sección transversal, cuyo tamaño evita una caída con gran intensidad del coeficiente de sustentación (en comparación con los perfiles más delgados) cuando el ángulo de ataque se incrementa. La segunda y tercera etapa tienen por objeto estudiar experimentalmente, en un túnel aerodinámico bidimensional, el comportamiento del flujo alrededor de cuatro perfiles propios de la industria eólica, oscilando a torsión y a flexión forzadas (primero con movimientos independientes y luego simultáneos, con un desfase de 90° entre ellos). Se hace énfasis en el fenómeno de pérdida dinámica y se analiza el efecto de cuatro parámetros de la oscilación: ángulo de ataque medio, amplitud y frecuencia del movimiento, y velocidad de la corriente incidente. Midiendo la distribución de presiones sobre la línea central de la envergadura del perfil, se calculan los coeficientes aerodinámicos de un ciclo promedio de oscilación. A partir de ello, se analiza el comportamiento del flujo, el proceso de pérdida dinámica y las fuerzas que actúan sobre los perfiles. También se detalla el desarrollo del sistema de generación del movimiento diseñado específicamente para este fin y desarrollo del software de adquisición y postprocesado. De entre los resultados más relevantes, el ángulo de ataque medio y la amplitud de cabeceo son los parámetros que establecen la diferencia en magnitud de las fuerzas aerodinámicas, mientras que la frecuencia reducida tiene mayor influencia en el comportamiento temporal del flujo. En los perfiles oscilando, cierto grado de histéresis aparece en cada ciclo en el sentido de que las fuerzas aerodinámicas que aparecen sobre el perfil en la carrera de ascenso son diferentes a las que aparecen en la misma posición en la carrera de descenso. Queda establecido cómo el aumento de la frecuencia reducida provoca un aumento en la histéresis. En la zona post-pérdida, las cargas máximas dinámicas resultan siempre mayores que las máximas estáticas, en relación directa con el ángulo de incidencia máximo. En los experimentos con 2 GDL se observa el efecto de la traslación vertical como una disminución en el ángulo de ataque efectivo máximo que se obtendría del cabeceo, y una modificación en la aparición de histéresis.