Tesis:
Distribución de presiones no estacionaria sobre una esfera en el seno de una corriente uniforme
- Autor: MANZANARES BERCIAL, Raúl
- Título: Distribución de presiones no estacionaria sobre una esfera en el seno de una corriente uniforme
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76622/
- Director/a 1º: FRANCHINI LONGHI, Sebastian Nicolas
- Resumen: En los últimos años se ha descubierto un nuevo tipo de inestabilidad aeroelástica sufrida por las balizas esféricas colocadas en los cables de guarda de las líneas de alta tensión eléctrica. Dicha inestabilidad consiste en el movimiento de las balizas en el plano transversal al cable cuando el viento incide en la dirección del mismo (Transversal Instabilities due to Longitudinal Winds, TILoW). La investigación publicada ha aportado modelos matemáticos que explican el comportamiento tanto de la catenaria completa como de una baliza aislada, así como ensayos en túnel de viento, tanto dinámicos como estáticos sobre una baliza, que han identificado los diferentes modos de oscilación que presenta la esfera y la evolución de las fuerzas aerodinámicas en función de la velocidad del viento incidente. De los resultados de los ensayos en túnel realizados en dicha investigación se deduce la existencia de estados cuasi-estables de intermitencia, presentes en las fuerzas aerodinámicas de la esfera, siendo éste un fenómeno novedoso que no había sido identificado anteriormente.
Para profundizar en este tema, se han optado por establecer un procedimiento experimental considerando ensayos con maquetas que permiten medir el campo de presiones alrededor de la esfera de forma simultánea, con alta resolución temporal, y espacial en su caso. Dada la gran cantidad de parámetros que intervienen en el problema original (velocidad del viento, presencia del cable, rugosidad superficial, etc.), este estudio se ha limitado a esferas lisas, sin la presencia del cable, con el fin de determinar si la aparición de los estados de intermitencia es propia de la esfera o viene impuesta por la presencia del cable.
Los ensayos realizados en túnel de viento sobre el modelo construido han aportado una caracterización exhaustiva y detallada de los diferentes estados de intermitencia que aparecen en las fuerzas aerodinámicas sufridas por la esfera, destacando su evolución con el número de Reynolds, variando tanto el valor de los coeficientes de fuerzas aerodinámicas como su duración. A pesar de la simetría de revolución de la esfera, la fuerza aerodinámica lateral neta no es nula, y los estados de intermitencia que aparecen son tanto de corta como de larga duración. Es reseñable que la aparición de los estados de intermitencia ha resultado ser no periódica.
El análisis del campo de presiones alrededor de la esfera ha permitido la caracterización detallada de las zonas de sobrepresión, succión y flujo desprendido, observando su evolución con el número de Reynolds. En el régimen subcrítico, a medida que aumenta Re, las fluctuaciones del coeficiente de presión en la zona anterior al punto de máxima succión disminuyen, hasta su práctica desaparición en régimen supercrítico. Se ha observado la presencia de burbujas de recirculación en la región de gradiente adverso de presiones. La intensidad de la succión varía en función de la posición azimutal en la esfera. El desplazamiento azimutal de las regiones de alta succión relativa, junto con una línea de desprendimiento de capa límite irregular no estacionaria, determina la dirección de la fuerza lateral, así como el comportamiento de los estados de intermitencia observados. Por otra parte, se ha establecido la existencia de diferentes regímenes dentro del régimen supercrítico.
Este estudio comporta una especial relevancia ya que ha permitido caracterizar por primera vez, de forma exhaustiva, los diferentes estados de intermitencia que aparecen sobre la esfera lisa, además de presentar un novedoso estudio detallado de la distribución instantánea de presiones sobre la misma, la relación entre ambos, y su evolución con Re. Los resultados aportados son fundamentales para la compresión del complejo fenómeno de la intermitencia en la aerodinámica de la esfera, con el fin de resolver, entre otros, el problema de las inestabilidades tipo TILoW.
ABSTRACT
In recent years, a new type of aeroelastic instability has been discovered in spherical beacons placed on the guard cables of high-voltage power lines. This instability consists of the movement of the beacons in the transverse plane to the cable when the wind blows in the same direction (Transversal Instabilities due to Longitudinal Winds, TILoW). Published research has provided mathematical models that explain the behaviour of both the entire catenary and an isolated beacon. Wind tunnel tests, both dynamic and static, have been conducted on a beacon, identifying the different modes of oscillation exhibited by the sphere and the evolution of aerodynamic forces as a function of the incident wind speed. From the results of the tunnel tests conducted in this research, the existence of quasi-stable intermittent states in the aerodynamic forces acting on the sphere has been deduced, which is a novel phenomenon not previously identified.
To delve deeper into this topic, an experimental procedure has been established involving scale model tests that enable simultaneous, high-resolution measurement of the pressure field around the sphere, both temporally and spatially. Given the large number of parameters involved in the original problem (wind speed, presence of the cable, surface roughness, etc.), this study has been limited to smooth spheres without the presence of the cable in order to determine if the occurrence of intermittent states is inherent to the sphere or imposed by the presence of the cable.
The wind tunnel tests on the constructed model have provided a comprehensive and detailed characterisation of the different intermittent states that appear in the aerodynamic forces experienced by the sphere. This includes their evolution with the Reynolds number, with variations in the values of the aerodynamic force coefficients and their duration. Despite the revolution symmetry of the sphere, the net lateral aerodynamic force is not zero, and the intermittent states that arise can be both short and long-lasting. It is noteworthy that the occurrence of intermittent states has proven to be non-periodic.
The analysis of the pressure field around the sphere has allowed for a detailed characterisation of the areas of overpressure, suction, and separated flow, observing their evolution with the Reynolds number. In the subcritical regime, as the Reynolds number (Re) increases, the fluctuations of the pressure coefficient in the region before the point of maximum suction decrease, eventually practically disappearing in the supercritical regime. The presence of recirculation bubbles has been observed in the adverse pressure gradient region. The intensity of suction varies with the azimuthal position on the sphere. The azimuthal displacement of regions with high relative suction, along with an irregular and non-stationary boundary layer separation line, determines the direction of the lateral force and the behaviour of the observed intermittent states. Moreover, the existence of different regimes within the supercritical regime has been established.
This study is of relevance as it has allowed for the comprehensive characterisation, for the first time, of the different intermittent states that occur on the lateral force and pressure field around a smooth sphere. Besides, it presents a novel, detailed study of the instantaneous pressure distribution on the sphere, the relationship between both aspects, and their evolution with the Reynolds number. The results provided are fundamental for understanding the complex phenomenon of intermittency in sphere aerodynamics, with the aim of addressing, among others, the problem of TILoW-type instabilities.