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Modelo híbrido FVM-FEM para la simulación del comportamiento aero-estructural de un globo sonda de alta estabilidad

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Date
2021-03
Authors
Sanhueza Espinoza, Sebastián Alonso
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En el marco del proyecto FONDEF ID16I10105, se propone un sistema de globo cautivo que funciona como estación meteorológica, con el fin de ser utilizado para la evaluación del recurso eólico sobre terreno complejo. El sistema se compone de un globo aerostático auto-orientable de alta estabilidad, anclado a la superficie por uno o más cables elásticos, que eleva plataformas que contienen los equipos de medición meteorológica a una altura predeterminada. Con el objetivo final de diseñar un sistema de control de la posición de las plataformas de medición, se utiliza un modelo estático existente de sistema de globo cautivo de tres anclajes, para desarrollar un código computacional que calcula la geometría de la estructura flexible en su estado de equilibrio, bajo la acción de un campo de flujo estacionario. La solución estática permite comparar el efecto de la forma del aerostato en el comportamiento de la estructura y entrega una condicion inicial en reposo para una simulación dinámica. Para el modelamiento de los cables que conforman la estructura flexible se utiliza una variante del método de elementos finitos conocido como método de masas concentradas. Debido al comportamiento no lineal se discretiza su largo en elementos elásticos lineales y se resuelve el sistema de equilibrio de cada elemento mediante el método de Newton-Raphson. Para el cálculo de las fuerzas aerodinámicas sobre la estructura flexible se utilizan los coeficientes de arrastre y el pricipio de flujo cruzado. Los aerostatos son modelados como cuerpos rígidos orientados de frente al viento, y se utiliza el método de volúmenes finitos para calcular las fuerzas generadas por el viento sobre la superficie del envoltorio. Se realizan simulaciones computacionales fluido-dinámicas de distintas formas geométricas de globo a una velocidad de viento constante y variando el ángulo de ataque, obteniéndose funciones de sus coeficientes aerodinámicos que permiten determinar el ángulo de ataque en equilibrio. Se escogen 5 formas distintas de globos: esférica, cilíndrica, ovoidal, NPL y GNVR; para comparar su comportamiento aerodinámico y el impacto de este en el sistema de globo cautivo. El modelo de cable se verifica utilizando soluciones análiticas encontradas en la literatura, y se utiliza una simulación en OpenFOAM de un globo esférico para verificar el modelo de aerostato y realizar un análisis de sensibilidad de la malla. El modelo de SGC simple se valida para los 5 tipos de globos a una velocidad de viento lenta, con flujo en transición a la turbulencia, y se comparan para un mismo valor del empuje neto y de longitud de cable. Los globos NPL y GNVR son comparados a velocidades más altas, con flujo turbulento completamente desarrollado, igualando su empuje neto para distintas configuraciones de longitud de cable, velocidad de viento y variación de volumen. Los resultados demuestran una variación de la altura menor al 5 % y desplazamiento horizontal del orden de los 20 [m], para los globos NPL y GNVR, a una velocidad de viento máxima de 15 [m/s]. El trabajo realizado busca entregar un primer acercamiento teórico del funcionamiento de un sistema de globo cautivo como estación fija y de esta manera generar una metodología para el diseño de este.
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Keywords
GLOBOS CAUTIVOS , AERODINAMICA
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