Publication: Modelo híbrido FVM-FEM para la simulación del comportamiento aero-estructural de un globo sonda de alta estabilidad
Loading...
Date
2021-03
Authors
Sanhueza Espinoza, Sebastián Alonso
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
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.
Description
Keywords
GLOBOS CAUTIVOS , AERODINAMICA