Tesis:
Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface.
- Autor: GARRIDO MENDOZA, Carlos Ariel
- Título: Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface.
- Fecha: 2015
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/36489/
- Director/a 1º: SOUTO IGLESIAS, Antonio
- Director/a 2º: THIAGARAJAN, Krish
- Resumen: La energía eólica marina es uno de los recursos con mayor proyección que pueden reducir el consumo de combustibles fósiles y cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como un Jacket o una plataforma flotante ya sea una semisumergible o una TLP. Los aerogeneradores offshore juegan un papel importante en el perfil de producción energética en los próximos años. Estas turbinas eólicas deben hacerse más fiables y rentables para ser competitivas con otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta en la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentar la amortiguación del sistema, (2) mantener el período de movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) la reducir las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas ya que aumentan la masa añadida del sistema y la amortiguación del mismo. Un análisis hidrodinámico en convencional considera una estructura en sometida a un oleaje, y evalúa las cargas lineales y no lineales usando la teoría del potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta resonante, es una entrada empírica para el análisis, y no se incluye de forma explícita. El presente análisis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las placas de oscilación vertical (heave plates) de una turbina eólica marina flotante. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el fin de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud de movimiento movimiento vertical con respecto al diámetro del disco. Además, la influencia sobre los coeficientes hidrodinámicos cuando la heave plate oscila cerca de la superficie libre o del fondo del mar se ha investigado. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, se describe en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre los procesos de desprendimiento de vórtices locales y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes al incluir porosidad en la heave plate. Una diseño novedoso de una heave plate en base a la teoría fractal también fue analizada experimentalmente y comparada con los datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de Open FOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco solido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo.