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INGENIARITZA GOI ESKOLA TEKNIKOA
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA
BILBAO
Profesor de Proyectos Director del Proyecto Referencia Curso AcadmicoSr. Ruiz Minguela Sr. Pea Bandrs II.13.511.C.C. 2012/2013
PROYECTODE
METODOLOGA HBRIDA PARAEL ANLISIS COMPUTACIONAL DECONVERTIDORES DE ENERGA DE LAS OLAS
Documento n 1 - MEMORIA
Alumno Garca, Ibez, JulenTitulacin Ingeniera Industrial
Fecha Junio de 2013
Firma
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The important thing is not to stop questioning
Albert Einstein
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Autor: Julen Garca
Director del Proyecto: Alberto Pea
Tutor en Tecnalia: PierPaolo RicciProfesor de Proyectos: Luis Ruiz Minguela
Precursor del Proyecto y Tutor en Tecnalia: Imanol TouznPrecursor del Proyecto: Beat Rodrguez
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NDICE
pg.
1. INTRODUCCIN .................................................................................... 1
2. OBJETIVOS ........................................................................................... 8
3. BENEFICIOS TCNICOS, ECONMICOS Y
SOCIOAMBIENTALES ........................................................................ 10
3.1 Beneficios tcnicos .................................................................... 103.2 Beneficios econmicos .............................................................. 11
3.3 Beneficios socioambientales ...................................................... 13
4. DESCRIPCIN DE LA SOLUCIN ..................................................... 14
4.1 Descripcin general ................................................................... 14
4.2 Alternativas de convertidor ........................................................ 15
4.2.1 Ubicacin del convertidor ............................................ 16
4.2.2 Principio de captacin del convertidor ......................... 18
4.2.3 Tamao y orientacin del convertidor ......................... 25
4.3 Criterio de seleccin del convertidor .......................................... 27
4.4 Seleccin del convertidor ........................................................... 28
4.4.1 Ubicacin del convertidor ............................................ 28
4.4.2 Principio de captacin del convertidor ......................... 29
4.4.3 Tamao y orientacin del convertidor ......................... 31
4.5 Descripcin de la solucin ......................................................... 32
4.5.1 Oceantec, de Tecnalia e Iberdrola .............................. 32
4.5.2 Teora del flujo potencial: Mtodo de losElementos de Contorno .............................................. 38
4.5.3 Ecuaciones de Navier-Stokes: Mtodo de los
Volmenes Finitos (MVF) y Mtodo de los
Elementos Finitos (MEF) ............................................. 41
4.5.4 Metodologa Hbrida .................................................... 45
5. ESPECIFICACIN DE NECESIDADES DE LA
METODOLOGA .................................................................................. 47
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5.1 Visin general ............................................................................ 47
5.2 Especificacin de la determinacin del coeficiente de
Drag con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD .................. 495.2.1 Bidimensionalidad ....................................................... 49
5.2.2 Dominio computacional ............................................... 50
5.2.3 Condiciones de contorno............................................. 51
5.2.4 Generacin de la malla ............................................... 53
5.2.5 Discretizacin .............................................................. 54
5.2.6 Modelado del entorno de pared .................................. 55
5.2.7 Turbulencia ................................................................. 57
5.3 Especificacin de la simulacin del WEC con las
Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD ....................................... 58
5.3.1 Dominio computacional ............................................... 58
5.3.2 Condiciones de contorno............................................. 59
5.3.3 Generacin de la malla ............................................... 61
5.3.4 Discretizacin .............................................................. 62
5.3.5 Modelado del entorno de pared .................................. 63
5.3.6 Turbulencia ................................................................. 64
5.3.7 Interfase ...................................................................... 65
5.3.8 Modelo de ola .............................................................. 66
5.4 Otras especificaciones ............................................................... 67
5.4.1 Limitacin de fuentes de error ..................................... 67
5.4.2 Convergencia de malla ............................................... 68
6. RESUMEN DE LA METODOLOGA .................................................... 69
7. PLAN DEL PROYECTO ...................................................................... 72
7.1 Fases ......................................................................................... 727.1.1 FASE 1. Anlisis de la teora hidrodinmica
marina ......................................................................... 72
7.1.2 FASE 2. Anlisis de los mtodos numricos
para la simulacin hidrodinmica marina .................... 73
7.1.3 FASE 3. Simulacin del WEC con la Teora del
Flujo Potencial ............................................................. 74
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7.1.4 FASE 4. Anlisis de la resistencia al avance y
los modelos de turbulencia con las Ecuaciones
de Navier-Stokes ......................................................... 757.1.5 FASE 5. Simulacin del WEC con las
Ecuaciones de Navier-Stokes y diseo del
criterio de parada ........................................................ 76
7.1.6 FASE 6. Anlisis de la ecuacin de Morison ............... 77
7.1.7 FASE 7. Generacin del modelo hbrido en
Matlab y calibracin de la influencia del trmino
viscoso ........................................................................ 78
7.1.8 FASE 8. Pruebas de validacin con datos
experimentales ............................................................ 79
7.1.9 FASE 9. Diseo e implantacin de la
Metodologa Hbrida .................................................... 80
7.2 Duracin total ............................................................................. 81
7.3 Reuniones de proyecto .............................................................. 81
7.4 Hitos ........................................................................................... 82
7.5 Diagrama de Gantt ..................................................................... 83
8. RECURSOS HUMANOS Y MATERIALES .......................................... 84
8.1 Recursos Humanos ................................................................... 84
8.2 Recursos Materiales .................................................................. 86
9. RESUMEN DEL PRESUPUESTO ....................................................... 87
10. RIESGOS DEL PROYECTO ................................................................ 88
REFERENCIAS ............................................................................................ 89
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1. INTRODUCCIN
La energa es un bien preciado.
El inters por el desarrollo de fuentes de energa alternativas se ha
incrementado en los ltimos aos [1]. Entre los factores que han favorecido
este auge se encuentran: el constante incremento del precio de los
combustibles fsiles, el crecimiento progresivo de la poblacin mundial, el
aumento de la demanda energtica o el calentamiento global.
Figura 1.1 - Porcentaje de generacin de energa elctrica con recursos renovables por pases
Pero no todas las energas renovables han crecido al mismo ritmo. Varias de
ellas, como la energa elica, o la solar, han experimentado una
espectacular evolucin, amparadas en la existencia de un recurso
abundante, un marco regulatorio favorable y una elevada capacidad
industrial y tecnolgica.
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Sin embargo, otras energas, como la energa undimotriz, o energa de las
olas, se encuentran en una fase de desarrollo inicial, encontrndose an
lejos de explotar todo su potencial.
La energa undimotriz presenta grandes ventajas, como su
enorme densidad energtica y su elevada predictibilidad, siendo ambas
netamente superiores a las de otras tecnologas asociadas a energas
renovables.
Los niveles del flujo medio anual de energa de olas oscilan entre 30 y 100
kW/m en latitudes comprendidas entre 40 y 60, tanto en el hemisferio norte
como en el hemisferio sur, disminuyendo notablemente al acercarse a los
polos y al ecuador. En las zonas tropicales, el valor del flujo medio de
energa anual no supera los 20 kW/m. La costa Europea representa algo
menos del 20% del potencial de energa undimotriz mundial [2].
Figura 1.2 - Flujo medio anual de energa undimotriz en kilovatios por metro de frente de ola
Los climas con un mayor potencial energtico se encuentran en mares
profundos, lejos de la costa. No obstante, estos emplazamientos son los que
mayores dificultades de explotacin presentan por dos causas principales:
los elevados costes de mantenimiento, y el aumento del coste de los cables
elctricos submarinos empleados para realizar la conexin con la red de
tierra.
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Por el contrario, los climas con un menor potencial energtico son aquellos
ms cercanos a la costa, si bien en determinadas circunstancias pueden
verse favorecidos por fenmenos de refraccin y difraccin.
Por tanto, las ubicaciones deben llegar a un compromiso entre la viabilidad
de la explotacin y el flujo de energa disponible. Debido a esto, se suelen
situar a unos pocos kilmetros de la costa, con profundidades inferiores a
100m.
Figura 1.3 - Convertidor Pelamis Wave Power de ScottishPower Renewables
Los primeros intentos de aprovechar la energa de las olas se remontan a
fechas similares a los de otras energas renovables. A pesar de ello, el
aprovechamiento de la energa undimotriz es mnimo en la actualidad, con
una potencia instalada que se limita a unas pocas plantas piloto situadas en
varios pases. Ello es debido a la gran dispersin tecnolgica existente en
la actualidad, con muchas ideas propuestas pero sin ninguna que haya
demostrado an su liderazgo tecnolgico [3].
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Es por ello que las tecnologas encaminadas al aprovechamiento de la
energa undimotriz precisan an de una considerable inversin en
investigacin y desarrollo.
Las perspectivas de desarrollo de la energa undimotriz en los aos
venideros son excelentes debido, en gran parte, al avance tecnolgico
acaecido en las ltimas fechas.
El potencial bruto estimado para esta tecnologa es comparable al consumo
actual de energa a nivel mundial, y es por ello que se presenta como una
alternativa excelente para el suministro energtico. Adicionalmente, la
correlacin entre el recurso y la demanda es buena debido a que el 40% de
la poblacin mundial reside a menos de 100 km de la costa [4].
Figura 1.4 - Convertidor Oceantec, de Tecnalia e Iberdrola
Respecto al coste del kWh generado, la tecnologa de aprovechamiento de
energa undimotriz ha posibilitado su reduccin en un orden de magnitud.
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Recientemente, se han monitorizado y evaluado las soluciones tecnolgicas
de algunos de los prototipos diseados y stos pueden pasar a una fase
comercial en poco tiempo.
Sin embargo, esta tecnologa no podr establecerse y competir contra las
tecnologas renovables ms avanzadas hasta que se consiga reducir la
divergencia tecnolgica existente en la actualidad.
Por tanto, se precisan herramientas genricas que conduzcan
paulatinamente a una concepcin estandarizada de los convertidores de
energa de las olas, posibilitando reducir sustancialmente los plazos de
desarrollo.
En la actualidad, las universidades y los centros tecnolgicos ms
avanzados, punta de lanza de la innovacin tecnolgica, combinan la
simulacin computacional con costosos ensayos experimentales en canal
hidrodinmico, como paso previo a la construccin de dispositivos a escala
reducida, que son probados en el mar, antes de crear los convertidores
definitivos.
Agilizar este proceso, mediante el desarrollo de una Metodologa que
permita aprovechar todas las posibilidades de los potentes procesadores
existentes, es uno de los mayores retos actuales en este campo.
Las simulaciones realizadas en la actualidad estn desarrolladas bajo el
cobijo numrico del mtodo de los elementos de contorno y con la base de la
Teora del Flujo Potencial con olas lineales. Este enfoque permite una
estimacin eficiente del comportamiento bsico del convertidor.
Sin embargo, la omisin de la turbulencia y la asuncin de irrotacionalidad,
genera desviaciones respecto a la dinmica real, debiendo realizar
calibraciones posteriores en canal hidrodinmico a fin de obtener
informacin adicional que permita calibrar los clculos realizados con estos
mtodos aproximados.
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Para paliar este problema, este proyecto desarrolla una
novedosa Metodologa Hbrida de anlisis basada en el uso combinado de
la Teora del Flujo Potencialy las Ecuaciones de Navier-Stokes, siendo laintegracin entre dos enfoques tan distintos la base innovadora de este
proyecto.
Figura 1.5 - Planta de energa de las olas de Mutriku
La forma de abordar la hibridacin consiste en combinar los distintos
coeficientes hidrodinmicos en la ecuacin de Morison, que ana las
componentes viscosa e inercial de las acciones sobre estructuras marinas,
modificndola de tal forma que se puedan cuantificar los efectos de la
turbulencia y rotacionalidad del flujo.
La componente viscosa se obtiene de calibraciones del coeficiente de
resistencia al avance CD, mediante simulaciones realizadas empleando
un software basado las Ecuaciones de Navier-Stokes.
La componente inercial se obtiene mediante simulaciones del Convertidor
realizadas empleando un mtodo basado en la Teora del Flujo
Potencial.
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Posteriormente, usando programacin propia, se calibra el trminoviscoso, de tal forma que se ajusten los resultados obtenidos en las
simulaciones del fenmeno completo realizadas bajo ambos prismas.
Adicionalmente, se explora un terreno completamente desconocido en el
presente: la simulacin hidrodinmica, con las Ecuaciones de Navier-
Stokes, de un dispositivo flotante de dos grados de libertad, bajo el
influjo de oleaje real.
Figura 1.6 - Calle de Vrtices de Von-Karman generada con las Ecuaciones de Navier-Stokes
Para demostrar la efectividad de la Metodologa, se validarn todos los
resultados por medio de los obtenidos en estudios experimentales reales en
el Centro de Experiencias Hidrodinmicas del Pardo, del Ministerio de
Defensa.
Por tanto, se presentarn una serie de novedosos procedimientos que
permitirn obtener una estimacin precisa de las caractersticas oscilantes
de las estructuras flotantes marinas, aplicando novedosos mtodos que
suponen una contribucin cientfica. Aprovechando las ventajas de una
eficiente integracin de ambos mtodos, y con el fin de posibilitar un estudio
completo, eficiente y rentable, la Metodologa ser capaz de proporcionar
una ventaja competitiva determinante.
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2. OBJETIVOS
El objetivo del proyecto es obtener una Metodologa Hbrida para elanlisis computacional de convertidores de energa de las olas.
Esta Metodologa permite predecir satisfactoriamente el comportamiento de
un convertidor de energa de las olas (WEC: Wave Energy Converter),
posibilitando una reduccin importante en el tiempo de desarrollo y en el
coste econmico del proceso iterativo de anlisis y diseo.
Partiendo de un diseo preliminar, con una geometra y unas caractersticasbasadas en experiencias anteriores, la Metodologa es capaz de
proporcionar eficientemente la dinmica precisa del modelo deseado.
Los procedimientos que se abordan sern:
Simulacin de la hidrodinmica de un WEC con la Teora del Flujo
Potencial aplicada al Mtodo de los Elementos de Contorno.
Obtencin de la hidrodinmica aproximada.
Determinacin grfica y analtica de la evolucin del Coeficiente de
Resistencia al Avance con el nmero adimensional de Reynolds,
segn los modelos de turbulencia K-, K- y Reynolds Stress Model;
para geometras equivalentes al WEC en flujo sumergido, mediante
las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a un software CFD
(CFD: Computational Fluid Dynamics) basado en el Mtodo de los
Volmenes Finitos.
Obtencin del trmino viscoso de una geometra equivalente al WEC
en flujo sumergido con las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a
un software CFD basado en el Mtodo de los Volmenes Finitos.
Simulacin de la hidrodinmica de un WEC con las Ecuaciones de
Navier-Stokes aplicadas a un software CFD basado en el Mtodo de
los Volmenes Finitos.
Obtencin de la hidrodinmica precisa.
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Ajuste de la hidrodinmica aproximada con el Coeficiente de
Resistencia al Avance mediante la Ecuacin de Morison.
Generacin en Matlab de un modelo en el dominio del tiempo que
integre la hidrodinmica aproximada y el Coeficiente de Resistencia al
Avance.
Obtencin de la hidrodinmica modificada.
Las herramientas computacionales que se emplean para el desarrollo e
implementacin de la Metodologa sern las siguientes:
Software Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc. Programa de
anlisis de estructuras marinas basado en la Teora del Flujo
Potencial y el Mtodo de los Elementos de Contorno (MEC).
Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de mecnica de
fluidos computacional basado en las Ecuaciones de Navier-Stokes y
el Mtodo de los Volmenes Finitos (MVF).
Software Matlab 7.14, de MathWorks. Programa de anlisis numrico
con lenguaje propio de programacin integrado.
La Metodologa est orientada para ser aplicada en centros tecnolgicos y
empresas enfocadas al desarrollo de las energas renovables marinas, con
un amplio conocimiento previo de la simulacin computacional de
fenmenos de superficie libre, como forma de optimizacin de recursos en elproceso de anlisis y diseo de Convertidores de Energa de las Olas.
Los usuarios deben ser Ingenieros Mecnicos o Navales con amplios
conocimientos de Dinmica de Sistemas Mecnicos, Mecnica de Fluidos y
Simulacin Computacional.
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3. BENEFICIOS TCNICOS, ECONMICOS YSOCIOAMBIENTALES
3.1 Beneficios tcnicos
- Optimizacin del proceso de anlisis y diseo de estructuras flotantes
marinas mediante una Metodologa estandarizada.
- Desarrollo de un best practice guideline para la definicin, el mallado
y la determinacin de la modelizacin fsica ms adecuada para el
estudio de estructuras flotantes marinas con software CFD.
- Avance cientfico mediante la caracterizacin de los modelos de
turbulencia ms adecuados para el anlisis computacional del efecto
del nmero de Reynolds en el coeficiente de resistencia al avance de
cuerpos sumergidos con software CFD.
- Diseo de un innovador criterio de parada de simulaciones basadas
en fenmenos oscilatorios y su posterior aplicacin en un anlisisespectral mediante la transformada de Fourier.
- Implementacin de un nuevo cdigo para la integracin de los efectos
inerciales y viscosos en la interaccin mar-convertidor.
- Creacin de un procedimiento optimizado de mallado para problemas
de superficie libre.
- Obtencin de una gua de iniciacin al uso de software especializado
en el comportamiento dinmico de estructuras offshore.
- Contribucin al desarrollo de la tecnologa asociada al
aprovechamiento de la energa undimotriz.
- Limitacin de la dependencia de pruebas experimentales en canal
hidrodinmico y reduccin del tiempo de desarrollo de los
convertidores.
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3.2 Beneficios econmicos
Con la mejora de la precisin de las simulaciones, se reducir el nmero deensayos experimentales en canal hidrodinmico necesarios para el
desarrollo de convertidores de energa de las olas.
Con ello, se conseguir una importante reduccin de los costes totales del
proceso de diseo, tanto por el menor gasto en las pruebas experimentales
como por el menor tiempo requerido en el mismo.
Figura 3.1 - Canal de Experiencias Hidrodinmicas del Pardo (CEHIPAR). Laboratorio deDinmica del Buque
El coste de un ensayo estandarizado en canal hidrodinmico de un
generador undimotriz en el Canal de Experiencias Hidrodinmicas del Pardo
(CEHIPAR) [5], segn las tarifas y normas contenidas en la Orden
Ministerial 19/2001 de 29 de Enero (BOE nm. 37 de 12.02.2001) [6], del
Ministerio de Defensa, tiene un coste de 53.859 EUR por ensayo (impuestos
indirectos no incluidos y actualizado con el IPC general: tasa de variacin del
38,1%), que se desglosa como sigue:
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- Bloque I. Construccin de modelos de carenas y apndices: 13.810
EUR.
- Bloque VII. Ensayos en canal de olas: 31.763 EUR.- Bloque VIII. Clculos de CFD: 8.286 EUR.
Un dispositivo de estas caractersticas requiere 4 ensayos en canal
hidrodinmico para su perfeccionamiento antes de la creacin del prototipo
definitivo que ser instalado en el mar. Con las mejoras del proceso de
simulacin introducidas en este proyecto, ser suficiente realizar dos
ensayos, con el consiguiente ahorro econmico de 107.718 EUR.
Figura 3.2- Canal de Experiencias Hidrodinmicas del Pardo (CEHIPAR). Laboratorio deDinmica del Buque
Adicionalmente, cada prueba experimental requiere 5 semanas hasta la
obtencin del informe de resultados, por lo que se conseguir un beneficio
econmico adicional por la reduccin del tiempo de diseo.
Estimando que el coste debido al retraso en el proceso de diseo asociado a
cada ensayo puede cuantificarse como un 25% del mismo, despreciando los
efectos marginales, la Metodologa proporcionar un beneficio adicional del
26.930 EUR.
Por tanto, la Metodologa Hbrida proporcionar un beneficio econmico
directo de 134.648 EURpor cada captador desarrollado.
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3.3 Beneficios socioambientales
- Participacin en la expansin de las energas renovablesfavoreciendo la reduccin de la dependencia de los combustibles
fsiles.
- Fomento del desarrollo de una energa con un potencial energtico
inigualable, superior a los 2 Teravatios.
- Creacin de nuevos puestos de trabajo con perfil altamente
cualificado.
- Desarrollo de una energa ilimitada en cuanto a recursos, limpia y con
escaso impacto visual.
- Limitacin de los gases contaminantes emitidos a la atmsfera,
expulsados en la combustin de combustibles fsiles.
Figura 3.3 - Esquema de conexin a la red de un Convertidor de Energa de las Olas
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4. DESCRIPCIN DE LA SOLUCIN
4.1 Descripcin general
En el proceso que va desde la concepcin inicial de un nuevo proyecto de
energa undimotriz hasta su implantacin en el mar, el mayor reto se
encuentra en la etapa del anlisis predictivo del comportamiento del
convertidor.
Teniendo en cuenta el agresivo entorno en el que se desarrollar la
conversin de la energa hidrulica a la energa elctrica, es un requisitoindispensable conocer con mxima precisin el comportamiento que tendr
el dispositivo definitivo, para realizar una estimacin detallada de la energa
que ser posible generar.
Este proyecto se centra en perfeccionar el proceso de simulacin de la
dinmica del convertidor. La mejora de las simulaciones repercutir en una
importante reduccin de la actual exigencia de realizar continuas pruebas en
canal hidrodinmico con la consiguiente reduccin de costes y plazos.
Para ello, como ya se ha indicado, se introducir una novedosa Metodologa
Hbrida. Se emplearn simulaciones realizadas tanto con software basado
en la Teora del Flujo Potencial, como con las Ecuaciones de Navier-Stokes.
El proceso de diseo contar con un anlisis preliminar de las posibilidades
de cada filosofa. Mediante la realizacin de multitud de simulaciones, se
obtendr un amplio banco de datos hidrodinmicos, que ser combinado
adecuadamente para obtener el procedimiento ptimo.
En aras de posibilitar que el campo de aplicacin sea lo ms amplio posible,
ser vital basar los clculos en un dispositivo cuya flexibilidad sea mxima,
con un comportamiento fcilmente extrapolable a otros dispositivos.
Por tanto, se presenta a continuacin un anlisis de los distintos WEC
desarrollados en la actualidad, describiendo sus caractersticas y realizando
una seleccin del ms adecuado para el proyecto.
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4.2 Alternativas de convertidor
Como ya se ha expuesto, la razn de ser de este proyecto es desarrollar unaMetodologa Hbrida que combine las ventajas de una y otra filosofa de
resolucin.
En tanto en cuando la base de este proyecto reside precisamente en aunar
ambos mtodos de resolucin de la forma ms eficiente, y presentar una
Metodologa estandarizada de aplicacin, es de vital importancia elegir el
tipo de WEC que se emplear para demostrar la validez de la Metodologa.
A la hora de seleccionar el generador undimotriz se debern tener en cuenta
tres aspectos diferentes [7]:
- Ubicacin del convertidor.
- Principio de captacin del convertidor.
- Tamao y orientacin del convertidor.
Figura 4.1 - Clasificacin de Convertidores de Energa de las Olas
Convertidoresde Energa de
las Olas
Ubicacin
Onshore
Nearshore
Offshore
Captacin
Presin fluido
Cuerpo
boyante
Otros
Tamao
Puntual
Atenuador
Totalizador
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4.2.1 Ubicacin del convertidor
En funcin de su ubicacin, o distancia de los convertidores a la lnea decosta, un WEC puede clasificarse en:
- Onshore Primera Generacin:
Estn completamente integrados en estructuras fijas en costa.
Las ventajas principales de estos dispositivos son los bajos costes de
operacin, mantenimiento e infraestructura elctrica de la energa
generada, adems un mayor perfil de supervivencia.
Por el contrario, el nmero de localizaciones potenciales se ve
reducido por el bajo contenido energtico de las olas y el alto impacto
medioambiental.
Son los menos numerosos
- Nearshore Segunda Generacin:
Son generadores situados en aguas someras (10-40 m) y
normalmente descansan en el lecho marino por gravedad.
Se puede afirmar que no presentan todos los problemas de las
instalaciones onshore, evitando a su vez la necesidad de instalacin
de sistemas de fondeo offshore.
Aunque, en su contra, hay que destacar que pueden verse sometidos
a cargas de diseo muy elevadas en condiciones extremales.
El fondo marino modifica sustancialmente la hidrodinmica del
dispositivo por sus efectos en el frente de ola.
- Offshore Tercera Generacin:
Son generadores que estn ubicados en aguas relativamenteprofundas (50-100 m) desde el punto de vista de los convertidores.
Pueden ser de tipo flotante o completamente sumergidos y destacan
por ser los de mayor aprovechamiento energtico en trminos de
valor del recurso energtico.
Hasta el momento su desarrollo se ha visto perjudicado y retrasado
puesto que hacan uso de tecnologas poco fiables o de alto coste.
En primer lugar, se necesitaba una alta fiabilidad a fin de evitar unos
costes de mantenimiento prohibitivos.
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Por otra parte, debido a la extrema crudeza del medio marino, la
supervivencia representa un aspecto clave para este tipo de
dispositivos y en especial para los dispositivos flotantes.Finalmente, los cables submarinos, necesarios para la transmisin de
la energa elctrica hasta tierra, son susceptibles de prdidas
importantes.
Por lo tanto, la explotacin offshore de la energa de las olas requiere
de plantas instaladas de decenas de MW y formadas por un conjunto
de varias unidades en lnea.
Estas grandes plantas multi-dispositivo pueden llegar a ocupar
superficies extensas (de varios km2) y, en consecuencia, pueden
llegar a interferir seriamente con todas las actividades que se
desarrollan en la mar.
Figura 4.2 - Clasificacin de los WEC segn su ubicacin
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4.2.2 Principio de captacin del convertidor
En funcin de su principio de captacin, un WEC puede clasificarse en:
- Diferencia de presin en un fluido:
En este tipo de dispositivos, se aprovecha la diferencia de presin
creada por las olas en un fluido, que normalmente suele ser aire, que
funciona como medio de transferencia.
Son dispositivos nearshore y offshore apoyados directamente sobre el
fondo marino o sumergidos unos pocos metros bajo el agua, siendo
por tanto menos vulnerables a los efectos de los temporales.
Sin embargo, al no ser visibles directamente, pueden interferir en la
navegacin.
Existen dos tipos:
Efecto Arqumedes (AWS: Archimedes Wave Swing):
Estos dispositivos se basan en la fluctuacin de la presin
esttica debida a la oscilacin del nivel de agua al paso de la
ola.
Se trata de una cmara de aire cerrada, cuyo volumen vara en
funcin de la presin a la que se ve sometida.
La parte inferior de la cmara est fijada al fondo, mientras la
cubierta se desplaza verticalmente.
El aire de la cmara acta como un muelle cuya rigidez se ve
modificada al bombear agua hacia el interior o exterior de la
misma, variando as el volumen de la cmara.
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Columna de agua oscilante (OWC: Oscillating Water Column):
Consiste en una cmara abierta por debajo de la superficie
libre del mar.El movimiento alternativo de las olas hace subir y bajar
alternativamente el nivel de agua, desplazando el volumen
interno de aire.
Al incidir la ola en el convertidor, el aire es comprimido dentro
de la cmara para posteriormente salir al exterior a travs de
una turbina.
Asimismo, al retirarse la ola, el aire fluye hacia el interior de la
cmara accionando nuevamente la turbina.
La turbina debe tener un diseo especial para que pueda girar
en el mismo sentido que el flujo bidireccional, disminuyendo su
rendimiento.
Si bien existen dispositivos de este tipo nearshore y offshore,
principalmente se ubican en la costa, integrados en diques o en
acantilados.
Por otra parte, su tamao es elevado, debido a las
dimensiones de la cmara de aire.
Por tanto, el coste de un nico dispositivo de este tipo es
importante.
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Figura 4.2 - Convertidor de efecto Arqumedes (AWS)
Figura 4.3- Convertidor de columna de agua oscilante (OWC)
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- Cuerpos boyantes activados por el oleaje:Son dispositivos que estn constituidos por un flotador que es movido
por las olas.
Por lo tanto, son principalmente de tipo offshore.
La energa es extrada de diversas formas aprovechando el
movimiento relativo de este elemento.
El movimiento oscilatorio que se aprovecha puede ser vertical,
horizontal, alrededor de un eje o una combinacin de los anteriores.
Este movimiento inducido por el oleaje puede ser un movimiento
absoluto entre el cuerpo flotante y una referencia fija externa (lastre o
anclaje al fondo), o un movimiento relativo entre dos o ms cuerpos.
En base a este criterio, los cuerpos boyantes activados por el oleaje
se pueden dividir en dos categoras:
Cuerpos boyantes con movimiento absoluto:
Los convertidores que emplean una referencia fija son los ms
abundantes.
Se suelen colocar varios dispositivos en lnea formando un
parque de energa undimotriz (wave farm).
Los esfuerzos a los que se ve sometido el sistema de fondeo
son considerables.
Adems, estos dispositivos son sensibles a los efectos de las
mareas, y su instalacin y mantenimiento es complejo.
Cuerpos boyantes con movimiento relativo:
Los convertidores basados en el movimiento relativo nopresentan los inconvenientes descritos en los dispositivos de
referencia fija.
No obstante, la dificultad reside en conseguir una referencia fija
interna sin sufrir una prdida apreciable en el rendimiento.
Existen varias posibilidades en la actualidad: cuerpos boyantes
unidos a plataformas flotantes estables, cuerpos boyantes
articulados y cuerpos flotantes con masa inercial interna
(pndulo, masa deslizante sobre gua, volante de inercia, etc.).
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Figura 4.3 - Convertidor de tipo cuerpo boyante con movimiento absoluto
Figura 4.4 - Convertidor de tipo cuerpo boyante con movimiento relativo
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- Sistemas de impacto y/o rebosamiento:
En estos dispositivos, las olas inciden en una estructura, consiguiendo
un aumento de su energa cintica, energa potencial, o ambas.Existen dos principios diferentes en este tipo de dispositivos, tanto
offshore como nearshore, en base al modo en el que la energa de la
ola incidente es aprovechado:
Sistemas de impacto:
Este tipo de dispositivos presentan sistemas de impacto que
inciden en una estructura flexible (bolsa) o articulada (pala) que
acta como medio de transferencia de energa.
Estos dispositivos presentan el inconveniente de la baja
absorcin de energa, debido principalmente a la irregularidad
del empuje horizontal al que se somete el dispositivo.
Sistemas de rebosamiento:
Los dispositivos basados en el principio del rebosamiento
fuerzan a que el agua pase por encima de la estructura.
Un sistema de rebosamiento puede incluir un depsito de
almacenamiento de agua.
Los convertidores que acumulan agua de las olas emplean
algn tipo de concentrador (canal en parbola o cua) para
aumentar la altura de las olas.
En estos casos, se aprovecha la diferencia de nivel existente
entre el depsito y la superficie libre del mar.
Normalmente, se hace pasar el agua a travs de una turbina
hidrulica de baja presin para generar energa elctrica.
Existen sistemas de rebosamiento tanto onshore comooffshore.
Los sistemas onshore son muy infrecuentes debido al elevado
coste de la obra civil necesaria, junto con las dificultades de
encontrar un emplazamiento adecuado.
Por tanto, la mayora de estos dispositivos son offshore,
siendo, en cierto modo, una versin artificial de los dispositivos
onshore.
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Figura 4.5 - Convertidor de impacto
Figura 4.6 - Convertidor de rebosamiento
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4.2.3 Tamao y orientacin del convertidor
En funcin de su tamao y orientacin los convertidores se pueden clasificaren:
- Absorbedores puntuales:
Son dispositivos pequeos en comparacin con la longitud de la ola
incidente.
Suelen presentar una geometra cilndrica (simetra axial) y, por lo
tanto, su comportamiento es independiente de la direccin de la ola.
Por norma general, se suelen colocar varios absorbedores puntuales
formando una lnea.
Un aspecto caracterstico de este tipo de convertidores es su
capacidad de concentrar la energa sobre s mismos, en lo que se
conoce como efecto antena.
Esta caracterstica redunda en una alta relacin entre la energa
captada con respecto a su volumen estructural.
Un dispositivo de este tipo tiene la capacidad de captar energa de un
frente de ola mayor que el propio frente que opone.
En condiciones ideales de funcionamiento, situacin resonante en ola
regular, presentan una anchura eficaz de captacin cercana a un
sexto de la longitud total del frente de ola.
Sin embargo, en la prctica, con oleajes irregulares, el rendimiento de
los absorbedores puntuales es muy inferior debido a la energa
incidente que refleja.
En la prctica se ha comprobado que apenas puede captarse una
quinta parte de la energa incidente.
- Atenuadores:
Tambin conocidos como absorbedores lineales, estas estructuras de
forma esbelta van extrayendo energa de forma direccional y
progresiva.
Se colocan paralelos a la direccin de avance de las olas.
Requieren menores esfuerzos de anclaje que los terminadores debido
a la compensacin de fuerzas a ambos lados de la estructura.
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Adems, estn expuestos a daos menores y son capaces de captar
energa por ambos lados de la estructura.
Debido a su mayor tamao en relacin con la longitud de la olapredominante, los atenuadores presentan un mayor ancho de banda
que los absorbedores puntuales.
El efecto antena es tambin aprovechado por este tipo de
dispositivos.
Su capacidad de extraccin de energa por unidad de peso del
convertidor es mayor que la de los absorbedores puntuales.
- Terminadores o totalizadores:
Estos dispositivos estn situados paralelamente al frente de ola
(perpendiculares a la direccin del avance de la ola).
A diferencia de los anteriores, tratan de captar la energa de la ola de
una sola vez.
En condiciones ideales, un dispositivo de este tipo no reflejara
ninguna energa y su aprovechamiento sera del 100%.
Al presentar una gran superficie al frente de ola, su anchura eficaz de
absorcin coincide con su longitud y, a diferencia de los absorbedores
puntuales y atenuadores, no dependen de la longitud de onda de la
ola incidente.
En la prctica, estos dispositivos tienen, evidentemente, una longitud
finita.
Por tanto, cuanto menor sea su longitud ms semejante ser su
comportamiento al de los absorbedores puntuales.
Figura 4.7 - Clasificacin de los convertidores en funcin de su tamao y orientacin
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4.3 Criterio de seleccin del convertidor
El objetivo del proyecto es obtener una Metodologa Hbrida para el anlisisde computacional de convertidores de energa de las olas.
Por tanto, ser de vital importancia obtener un procedimiento estandarizado,
verstil y flexible, para garantizar que pueda ser aplicado con exactitud al
mayor nmero de WECs posible.
Es, por tanto, imprescindible, dotar al proceso de una gran adaptabilidad,
logrando as que todos los anlisis contenidos en la Metodologa seanfcilmente extrapolables.
En base a esta premisa, deberemos abordar el proceso de determinacin del
convertidor existente en la actualidad que brinde la mayor aplicabilidad,
permitiendo as que los estudios realizados en base al mismo sean de mayor
utilidad.
Bajo este prisma, se requiere que el WEC en el que se base el anlisis
presente una complejidad considerable e integre diversos fenmenos, de tal
forma que los anlisis de convertidores ms sencillos puedan obtenerse
como simplificaciones de los presentados en esta Metodologa.
Por todo lo citado, el criterio nico para la seleccin del WEC que sea
empleado como base del anlisis computacional de la Metodologa
presentada es el siguiente: la capacidad de contener en su dinmica la
mayor cantidad de componentes posible, a fin de poder considerar el
estudio de dispositivos ms simples como casos particulares del mismo.
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4.4 Seleccin del convertidor
4.4.1 Ubicacin del convertidor
Ya que la gran mayora de los generadores undimotrices no estn en la
propia costa, sino en el mar, y que el hecho de emplear un dispositivo
onshore reducira notablemente la aplicabilidad del estudio por su excesiva
particularidad, se descarta la posibilidad de emplear un dispositivo de este
tipo.
Adicionalmente, la prctica totalidad de los dispositivos onshore estnbasados en el principio de la columna de agua oscilante, por tanto, su
aplicabilidad sera notablemente limitada.
El anlisis de la influencia del fondo marino es relativamente sencillo, ya que,
teniendo en cuenta que el dispositivo no vara su emplazamiento en servicio,
la longitud de onda de la ola incidente sera funcin de la distancia al fondo
marino pero se mantendra constante durante el anlisis.
Por lo tanto, emplear un dispositivo nearshore no aadira una utilidad
adicional frente a uno offshore.
Resumiendo: en lo relativo a la ubicacin del convertidor, se utilizar
indistintamente un dispositivo nearshore u offshore.
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4.4.2 Principio de captacin del convertidor
Los convertidores basados en la diferencia de presin de un fluido, tanto losde columna de agua oscilante (OWC) como los basados en el principio de
Arqumedes (AWS), son un caso muy particular en el que el mecanismo de
generacin de energa de las olas est acoplado en mayor o menor medida
a una macroestructura que reposa sobre el fondo marino.
Por tanto, existe una menor correlacin entre la conversin de energa y la
hidrodinmica de la macroestructura.
En concordancia con esto, ser preferible basar los estudios hidrodinmicos
en un dispositivo cuyos movimientos sean la base de la generacin.
Por tanto, lo ideal ser tomar como base de la Metodologa un cuerpo
boyante activado por el oleaje, por su mayor aplicabilidad.
En estos dispositivos, las olas inciden en su estructura, consiguiendo as
aumento de su energa cintica, energa potencial, o ambas. Es por ello, que
son WECs ideales para ser base de un anlisis hidrodinmico por su
generalidad.
Idealmente, el dispositivo deber tener una dinmica compleja, de dos
grados de libertad predominantes, siendo los desarrollos fcilmente
simplificables a dispositivos ms simples.
Lo descrito para los dispositivos flotantes activados por el oleaje no ocurre
en los rebosadores, que son un caso enormemente particular en el que larotura de la ola juega un papel determinante (en la actualidad apenas hay
dispositivos en funcionamiento de estas caractersticas) y su anlisis
requiere un estudio ad hocque ya est bastante desarrollado.
Por este motivo, junto con la baja absorcin de energa que presentan, se
descarta el uso de rebosadores como base de los anlisis hidrodinmicos de
la Metodologa.
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Asimismo, los sistemas de impacto, amn de tener una filosofa de
generacin bastante particular, tienen un estudio hidrodinmico simple, con
un nico grado de libertad en la mayor parte de las configuracionesexistentes, por lo que son desechados para este estudio por su falta de
generalidad.
Resumiendo: en lo relativo al principio de captacin de convertidor, se
utilizar un cuerpo boyante activado por el oleaje, con movimiento
absoluto o relativo.
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4.4.3 Tamao y orientacin del convertidor
Los absorbedores puntuales pueden considerarse un caso particular de losatenuadores, en los que su comportamiento hidrodinmico es independiente
de la direccin de la ola incidente, por no tener ninguna direccin
predominante.
Adicionalmente, estos dispositivos suelen tener exclusivamente un grado de
libertad: el desplazamiento vertical. Por tanto, el anlisis de su
comportamiento hidrodinmico es ms sencillo que en el caso de los
atenuadores.
Los atenuadores, tambin conocidos como absorbedores lineales, tienen
una dimensin predominante y su anlisis presenta mayores dificultades.
Generalmente, acompaando al cabeceo suele haber otras componentes no
despreciables en su movimiento que contribuyen a la generacin de energa
y deben ser tenidas en cuenta.
En base a ello, se preferir basar el procedimiento en un atenuador frente a
un absorbedor puntual, por su mayor generalidad. Ello permitir realizar un
estudio de mayor utilidad.
Adicionalmente, la tecnologa de generacin undimotriz ms avanzada de la
actualidad, el Pelamis Wave Power [8], pertenece a esta categora, y cada
vez ms proyectos se desarrollan bajo este enfoque, por lo que su empleo
sera ptimo.
Los terminadores o totalizadores, quedan reducidos en su mayor parte ageneradores onshore, que son los menos habituales, por lo que su
aplicabilidad sera reducida, motivo por el cual son descartados.
Resumiendo: en lo relativo al tamao y orientacin del convertidor, se
utilizar un dispositivo atenuador.
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4.5 Descripcin de la solucin
4.5.1 Oceantec, de Tecnalia e Iberdrola
De entre todos los dispositivos posibles, el que mejor se adapta a las los
criterios sealados anteriormente, por la versatilidad, flexibilidad y
adaptabilidad de las que dotar al procedimiento es el convertidor de energa
de las olas Oceantec, desarrollado por la empresa del mismo nombre,
siendo sta un spin-off de Tecnalia Research & Innovation, participada por
Iberdrola [9].
Figura 4.8 - Convertidor Oceantec de Tecnalia
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El generador undimotriz Oceantec de Tecnalia es un WEC de Tercera
Generacin (offshore), flotante, de movimiento relativo inercial basado en un
volante de inercia, y atenuador.
El fundamento de su sistema de generacin de energa es el siguiente
[10]:
- La estructura flotante se somete a un movimiento de cabeceo
peridico provocado por las olas.
- El sistema de fondeo permite que el convertidor siempre est
orientado en la direccin del oleaje.
- La principal ventaja es que el sistema captador est totalmente
encapsulado y sin contacto con el mar.
- Se hace girar un volante de inercia mediante un motor.
- El movimiento de cabeceo provocado por las olas se transforma en un
movimiento oscilante de balanceo.
- Un acoplamiento transforma el movimiento de balanceo en giro
unidireccional aumentando su velocidad angular.
- El movimiento de balanceo rectificado y multiplicado alimenta un
generador rotativo convencional.
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Figura 4.9 - Sistema giroscpico de generacin de energa del Oceantec de Tecnalia
El flotador fue evaluado en el Laboratorio de Dinmica del Buque, del Canal
de Experiencias Hidrodinmicas del Pardo (CEHIPAR), obteniendo multitudde datos experimentales que la Metodologa deber ser capaz de predecir.
Figura 4.10 - Modelo del Oceantec de Tecnalia analizado experimentalmente en el CEHIPAR
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Para los ensayos en canal hidrodinmico se emple un modelo a escala
1:15. Las caractersticas principales del flotador, tanto del prototipo como del
modelo, son las indicadas a continuacin en nomenclatura estandarizadanaval:
Tabla 4-1 Caractersticas del modelo de Oceantec de Tecnalia
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Para una correcta compresin de la hidrodinmica marina es necesario
conocer el criterio estandarizado para los grados de libertad de un WEC. El
criterio se describe en la Figura siguiente:
Figura 4.11- Grados de libertad de un WEC
Es comn en los estudios hidrodinmicos mantener la nomenclatura
anglosajona para los grados de libertad y as se mantendr a lo largo de esteproyecto. Se adjunta la nomenclatura propuesta en espaol:
- Surge desplazamiento en X: Avance
- Sway desplazamiento en Y: Deriva
- Heave desplazamiento en Z: Arfada
- Roll rotacin en X: Balanceo
- Pitch rotacin en Y: Cabeceo
- Yaw rotacin en Z: Guiada
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A los convertidores atenuadores, como el Oceantec de Tecnalia, se les
asigna el eje X al eje longitudinal del mismo, que, adicionalmente, coincide
con la direccin del frente de ola.
Figura 4.12 - Mallado computacional del Oceantec de Tecnalia
Hay cuatro grados de libertad restringidos casi su totalidad en este
dispositivo. Precisamente, una de las grandes ventajas de analizar este
WEC reside en que posee dos grados de libertad relativamente
independientes y perfectamente definibles, lo que permitir evaluar
satisfactoria una Metodologa fcilmente simplificable a dispositivos demenos grados de libertad, as como a dispositivos de algn grado de libertad
adicional.
Los grados de libertad presentes en el Oceantec de Tecnalia son:
- Heave (desplazamiento en el eje perpendicular a la superficie: Z)
- Pitch (rotacin en el eje paralelo a la superficie: Y)
Por tanto, para el diseo de la Metodologa Hbrida, se emplear el WEC
Oceantec como base fundamental, proporcionando una base perfectamente
generalizable a otros convertidores con una dinmica ms simple,
directamente particularizable de la obtenida para este generador.
Se presenta a continuacin una descripcin del mtodo empleado en la
actualidad para la simulacin computacional de la hidrodinmica de los
WEC: la Teora del Flujo Potencial aplicada al Mtodo de los Elementos de
Contorno.
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4.5.2 Teora del flujo potencial: Mtodo de los Elementos deContorno
El proceso actual de simulacin consiste en aplicar software muy
especializado en el comportamiento hidrodinmico de estructuras flotantes.
Al emplear una herramienta de alta especificidad se acortan enormemente
los requerimientos computacionales y del mismo modo se limitan toda clase
de errores que pueden surgir en alternativas ms flexibles [11].
Sin embargo, en estas herramientas especficas, con tiempos de simulacin
bajos, se debe recurrir a mtodos que efectan clculos cuya precisin se ve
reducida con la complejidad del flujo.
Figura 4.13 - WEC simulado con WAMIT
La Teora del Flujo Potencial define todo campo de velocidades como el
gradiente de una funcin escalar: el potencial de velocidad. Debido a que,
por definicin, el rotacional de un gradiente es siempre nulo, el campo de
velocidades que describe al flujo potencial es irrotacional, siendo esto una
aproximacin correcta en mltiples aplicaciones.
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Teniendo en cuenta que el fluido con el que interacciona el captador, agua
de mar, puede considerarse incompresible, el potencial de velocidades
puede representarse mediante la ecuacin de Laplace (ecuacin enderivadas parciales) y por tanto es aplicable la Teora del Flujo Potencial.
El Mtodo de los Elementos de Contorno (MEC) se obtiene mediante la
discretizacin de una ecuacin integral que es matemticamente equivalente
a la ecuacin en derivadas parciales original.
Figura 4.14 - WEC simulado con Ansys AQWA Diffraction
La reformulacin de la ecuacin de Laplace, bajo la que se articula elMtodo de los Elementos de Contorno (MEC), se efecta mediante el
teorema de Green y consiste en una ecuacin integral definida en el
contorno del dominio y una integral que relaciona la solucin en el contorno
con la solucin dentro de l.
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La principal ventaja de este mtodo frente al Mtodo de los Elementos
Finitos (MEF) y el Mtodo de los Volmenes Finitos (MVF), estriba en que
nicamente debe mallarse la superficie del dominio de la ecuacin deLaplace, no siendo necesaria la discretizacin del dominio completo. Por
tanto, se reduce la dimensin del problema pasando de 3D a 2D.
Adems, para simplificar an ms los clculos, usualmente se implementa la
teora lineal del oleaje, de precisin limitada. Para representar olas ms
complejas se utiliza la superposicin de olas lineales.
Por todo esto, los mtodos que se utilizan en la actualidad presentan unos
resultados preliminares que deben ser profundamente contrastados y
corregidos mediante pruebas en canal hidrodinmico.
Adems, las situaciones que presentan una mayor desviacin con respecto
a la realidad, (aquellas que tienen grandes vorticidades y turbulencias, no
siendo vlida la asuncin de irrotacionalidad), son precisamente las que
requieren un anlisis pormenorizado.
Los dos software ms empleados en la actualidad para el anlisis
hidrodinmico de estructuras flotantes son ANSYS Aqwa Diffraction y
WAMIT. Ambos estn basados en el Mtodo de los Elementos de Contorno
(MEC) aplicado a la Teora del Flujo Potencial.
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4.5.3 Ecuaciones de Navier-Stokes: Mtodo de losVolmenes Finitos (MVF) y Mtodo de los Elementos Finitos
(MEF)
Existe otro enfoque diferenciado del anterior para abordar un problema
hidrodinmico: realizar una modelizacin completa del fenmeno mediante la
resolucin ntegra de las ecuaciones ms avanzadas que gobiernan el flujo:
las Ecuaciones de Navier-Stokes.
En la actualidad, no ha habido intentos de afrontar problemas
hidrodinmicos marinos mediante el uso de herramientas estndares de
CFD, por su enorme complejidad y grandes tiempos de simulacin
requeridos. Se estima que el tiempo computacional es de 5 rdenes de
magnitud superior: inasumible.
Las ecuaciones de Navier Stokes describen la dinmica de los fluidos
basndose en la segunda ley de Newton, junto con la asuncin de que la
tensin en el fluido proviene de un trmino viscoso (proporcional al gradiente
de la velocidad) y de un trmino de presin. Por tanto, a diferencia de en la
Teora del Flujo Potencial, se tiene en cuenta la viscosidad del fluido.
A partir de la solucin de las Ecuaciones de Navier-Stokes, se determina el
campo de velocidades del flujo, que define la velocidad del fluido en
cualquier punto espacial y momento temporal. Una vez desarrollado el
campo de velocidades del flujo, se pueden obtener las caractersticas del
mismo, como su fuerza de resistencia al avance, o su caudal.
La resolucin de las Ecuaciones de Navier-Stokes proporciona una solucinmuy precisa al comportamiento real del dispositivo, sin embargo su
resolucin presenta grandes dificultades y requiere de simplificaciones.
Al igual que en la Teora del Flujo Potencial, se considera el flujo
incompresible e ideal. Sin embargo, este flujo es rotacional.
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La resolucin numrica directa de las Ecuaciones de Navier-Stokes es
absolutamente inabarcable en la actualidad y es necesario crear modelos de
turbulencia que permitan representar la vorticidad del flujo en casos dondehaya flujo turbulento.
Figura 4.15 - Calle de Torbellinos de Von-Krman simulada con Star-CCM+
Estos modelos de turbulencia son los que introducen la mayor fuente de
error ya que la turbulencia es uno de los fenmenos fsicos ms
desconocidos de la actualidad.
Pese a ello, se han producido grandes avances y como consecuencia
surgen multitud de modelos que representan la realidad turbulenta del flujo
con mayor o menor fidelidad.
Cada uno de los mtodos de turbulencia presenta particularidades, teniendo
sus propias ventajas y desventajas.
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El correcto conocimiento del fenmeno turbulento en problemas de
superficie libre es uno de los mayores retos de la mecnica de fluidos. Saber
determinar el modelo de turbulencia ms adecuado para cada caso y lacalibracin del mismo es uno de los puntos crticos de toda simulacin de
CFD.
As como la Teora del Flujo Potencial es implementada en el Mtodo de los
Elementos de Contorno (MEC), la base numrica en la que es implementan
las ecuaciones de Navier Stokes es indistintamente el Mtodo de los
Volmenes Finitos (MVF) y el Mtodo de los Elementos Finitos (MEF).
Figura 4.16 - WEC simulado con Star-CCM+
Existe multitud de software comercial de CFD para la resolucin de las
Ecuaciones de Navier-Stokes. Algunos de ellos son Fluent y Star-CCM+
(basados en el MVF); CFX y Tdyn (basados en el MEF).
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El MVF es el ms empleado en los cdigos de CFD, ya que presenta
ventajas en cuanto al uso de la memoria y a velocidad de resolucin,
especialmente en problemas de gran dominio y en aquellos con un nmerode Reynolds elevado.
Las ecuaciones de estado (Ecuaciones de Navier-Stokes y ecuaciones de la
turbulencia) son resueltas en una discretizacin espacial hecha previamente
en forma de volmenes de control. Esta discretizacin garantiza la
conservacin de las ecuaciones de estado a lo largo de todo el volumen de
control.
El MEF se emplea principalmente en anlisis estructural de slidos, pero
tambin es perfectamente aplicable en mecnica de fluidos. Su formulacin
requiere prestar especial atencin a la convergencia de la solucin, sin
embargo, la estabilidad de este mtodo es mayor.
Debe resaltarse que tiene unos requerimientos de memoria mayores con
tiempos de resolucin ligeramente superiores.
En este mtodo, se forma una ecuacin de residuos ponderados que es
resuelta en todos los elementos en los que se discretiza previamente el
dominio.
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4.5.4 Metodologa Hbrida
Los pasos de la Metodologa Hbrida, son brevemente descritos acontinuacin:
1. El PRIMER PASO consiste en la simulacin de la hidrodinmica del
WEC con la Teora del Flujo Potencial. Empleando un software
basado en el Mtodo de los Elementos de Contorno (Ansys AQWA
Diffraction v12, de Ansys Inc), ser posible obtener la hidrodinmica
aproximada.
2. El SEGUNDO PASO consiste en la determinacin del trmino viscoso
con una geometra equivalente al WEC en flujo sumergido con las
Ecuaciones de Navier-Stokes. Empleando un software CFD basado
en el Mtodo de los Volmenes Finitos (Star-CCM+ 7.0, de CD-
Adapco).
3. El TERCER PASO consiste en la simulacin de la hidrodinmica del
WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Empleando un software
CFD basado en el Mtodo de los Volmenes Finitos (Star-CCM+ 7.0,
de CD-Adapco), ser posible obtener la hidrodinmica precisa.
4. El CUARTO PASO consiste en el ajuste del trmino viscoso con la
Ecuacin de Morison. Empleando un software de anlisis numrico
con programacin propia (Matlab 7.14, de MathWorks) para generar
un modelo en el dominio del tiempo, ser posible obtener la
hidrodinmica modificada, combinando la hidrodinmica
aproximada y la viscosidad del WEC.
La Metodologa Hbrida est completamente desarrollada en el Documento
n 2 - METODOLOGA
En la pgina siguiente se muestra un Esquema de la Metodologa Hbrida:
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1
Hidrodinmica
aproximada
del WEC
2
3
Hidrodinmica
precisa
del WEC
4
Hidrodinmica
modificada
del WEC
1
AQWA Flujo Potencial (sin viscosidad)
Simulacin de la hidrodinmica del WEC
2
CFD Navier Stokes (con viscosidad)
Simulacin del trmino viscoso del WEC
3
CFD Navier Stokes (con viscosidad)
Simulacin de la hidrodinmica del WEC
4
Matlab Ecuacin de Morison
Incorporacin del efecto de la viscosidad21
Eficacia Precisin
Precisin Eficacia
Eficacia
Precisin
Figura 4.17 - Esquema de la Metodologa Hbrida
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5. ESPECIFICACIN DE NECESIDADES DE LAMETODOLOGA
5.1 Visin general
La Metodologa Hbrida se emplear para la correcta prediccin del
comportamiento hidrodinmico de estructuras flotantes marinas.
Mediante la sucesiva aplicacin de los procedimientos rigurosamente
descritos, la Metodologa ser capaz de proporcionar una ventaja
competitiva frente al uso de herramientas computacionales basadasexclusivamente en la aplicacin de la Teora del Flujo Potencial.
Para ello, una vez que se ha seleccionado el WEC Oceantec de Tecnalia, en
el que est basada la Metodologa, y definidos los componentes de la
misma, se hace necesario acotar una serie de parmetros para la correcta
caracterizacin de los distintos fenmenos fsicos analizados con los
procedimientos que se introducen en esta Metodologa para la
caracterizacin de WECs.
En primer lugar, se requiere conocer las especificaciones de la
determinacin mediante simulacin CFD del coeficiente de resistencia al
avance, de una geometra equivalente, en flujo sumergido.
Esta es una parte clave de la Metodologa ya que el coeficiente de
resistencia al avance obtenido en esta etapa ser el que se emplear para
incluir la influencia del efecto viscoso en la realidad.
Por tanto, partiendo de la hidrodinmica aproximada, un coeficiente de
resistencia al avance correctamente cuantificado permitir obtener la
hidrodinmica modificada por medio de una reformulacin semi-emprica
de la frmula de Morison.
Adicionalmente, ser necesario conocer las especificaciones de la
simulacin del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD.
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Esta simulacin presenta una dificultad muy elevada y apenas ha habido
intentos en la actualidad de obtener resultados por este costoso mtodo [11].
Sin embargo, una acotacin estricta de las variables de la simulacin,
mediante la correcta definicin de las especificaciones, permitir extraer
satisfactoriamente la hidrodinmica precisa, sirviendo para validar la
aplicabilidad de Metodologa presentada.
Dada la gran complejidad del anlisis computacional mediante CFD y la
ingente cantidad de variables a determinar, los anlisis llevados a cabo con
esta tcnica deben ser continuamente adaptados a las particularidades del
caso particular objeto del estudio.
Debe ser tenido en cuenta la inexistencia de datos bibliogrficos acerca de
los parmetros ms adecuados por la ausencia de estudios previos. Debido
a esto, es prctica habitual en la industria emplear especificaciones
cualitativas cuando sea preciso, siendo estas cuantificadas en detalle
durante la realizacin de las simulaciones.
Debido al citado carcter precursor de la Metodologa, se haceespecialmente necesario hacer hincapi en la forma de efectuar la
simulacin en los casos en los que se emplean software CFD para la
resolucin de las Ecuaciones de Navier Stokes.
As, se reducir en la medida de lo posible cualquier posibilidad de
perturbacin en los resultados debido al desconocimiento de las
funcionalidades de la herramienta computacional.
Es especialmente remarcable el hecho de que las especificaciones que se
mencionan en este documento parten de la numerosa experimentacin
previa realizada en el marco del Proyecto.
La Metodologa deber satisfacer, como especificacin de conjunto, los
pasos y el esquema del apartado 4.5.4 Metodologa Hbrida.
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5.2 Especificacin de la determinacin delcoeficiente de Drag con las Ecuaciones de Navier-
Stokes en CFD
5.2.1 Bidimensionalidad
Debido a la semejanza dimensional existente entre el WEC y un cilindro, es
comn representar ese tipo de objetos mediante cilindros caracterizados por
su ratio de esbeltez.
El ratio de esbeltez se define como la relacin entre la longitud principal (eneste caso, en trminos nuticos, la longitud entre perpendiculares) y el
espesor (en este caso, el dimetro mximo).
En base a esto, como el ratio de esbeltez del captador es 52/7,5, mayor que
5, se considerar un flujo transversal como representativo de la viscosidad
generada.
Y debido a esa esbeltez, con dos grados de libertad predominantes, se
efectuar una modelizacin 2D del fenmeno fsico, sin prdida de
generalidad.
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5.2.2 Dominio computacional
El dominio computacional deber ser capaz de representar la evolucin delflujo correctamente, de tal forma que no modifique los resultados. Para ello,
se tendr en cuenta la aparicin de la Calle de Vrtices de Von-Krman bajo
flujos turbulentos.
Estos vrtices aparecen como consecuencia de los fenmenos de
desprendimiento de la capa lmite, variable en funcin de la turbulencia del
flujo incidente.
Para capturar correctamente estos vrtices, que tienen una influencia
considerable en el coeficiente de resistencia del avance, se emplear un
dominio computacional que evite los fenmenos de retroflujo y ratio de
obstruccin. Una correcta definicin de las condiciones de contorno ayudar
a prevenir el fenmeno de retroflujo, como se indica a continuacin.
A nivel orientativo, se garantizar que el flujo est completamente
desarrollado si la distancia del cilindro al contorno de entrada es de 10
dimetros, al contorno de salida es de 30 dimetros, y a las paredes superior
e inferior es de 20 dimetros.
Figura 5.1 - Calle de Vrtices de Von Krman
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5.2.3 Condiciones de contorno
Se definirn distintas condiciones de contorno en las diferentes regiones deldominio.
Entrada del flujo: Velocity Inlet. Representa la entrada de un
flujo de velocidad conocida en una regin.
Es de utilidad para simular flujos incompresibles, como en el
caso que ocupa.
Mediante la variacin de la magnitud de este valor, se podr
regular la fase de turbulencia del flujo.
Habr que tener controlado en todo momento la intensidad
turbulenta en el contorno.
Salida del flujo: Flow Split Outlet. Representa la salida de un
flujo. Al estar a una distancia suficiente para que el flujo est
completamente desarrollado, segn lo indicado en la
especificacin precedente, esta condicin modelar
adecuadamente el flujo en la zona posterior.
Es de utilidad en flujos incompresibles.
Es de especial importancia emplear esta condicin de contorno
y no Pressure Outlet, usualmente empleada, de forma errnea,
para representar flujos incompresibles, puesto que slo es
aplicable en flujos compresibles.
Adicionalmente, el empleo correcto de esta condicin evitar la
existencia de retroflujos.
Contornos superior e inferior: Wall - free slip. Representa unasuperficie impermeable.
Al restringir numricamente el deslizamiento, se consigue que
los efectos de la friccin no afecten al flujo en las zonas
cercanas al contorno.
Si la distancia al cilindro es suficiente para que el flujo est
completamente desarrollado, cosa que queda garantizada
segn la especificacin anterior, el flujo estar correctamente
modelado.
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Superficie del cilindro: Wall - no slip. Representa una
superficie impermeable.En ella, la velocidad se incrementa desde cero en la superficie
hasta la velocidad de flujo libre a una cierta distancia de la
superficie.
La ley que regular este incremento se detallar en el
Modelado en el Entorno de la Pared.
Deber prestarse especial atencin a la correcta definicin de
la rugosidad del cilindro.
Figura 5.2 - Esquema del dominio de definicin y condiciones de contorno
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5.2.4 Generacin de la malla
Basndose en la amplia experiencia, se emplear una malla estructurada(trimmer). Empleando este mtodo de generacin, se generar una malla
tridimensional del orden de 2.000.000 de elementos. Posteriormente, se
degenerar a una malla bidimensional del orden de 80.000 elementos. Para
optimizar el nmero de elementos, y que estos sean empleados con la
mxima eficiencia se introducirn diversos controles volumtricos as como
capas prismticas en la superficie del cilindro. En la Figura adjunta se puede
observar un esquema de la malla.
Figura 5.3 - Vista general de la malla 2D
Figura 5.4 - Detalle de las capas prismticas en el entorno del cilindro
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5.2.5 Discretizacin
La precisin global de la solucin viene limitada por el componente de menororden de la discretizacin.
Por tanto, se emplear discretizacin con precisin de segundo orden tanto
en el espacio como en el tiempo. Adicionalmente, se verificar que el paso
temporal no afecte a la solucin final.
Para ello, se comprobar que el paso temporal est adaptado a la malla
generada apoyndose en el nmero adimensional de Strouhal (St) de la
Calle de Torbellinos de Von-Krman en el caso de flujos turbulentos.
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5.2.6 Modelado del entorno de pared
Todos los objetos slidos expuestos a un flujo incidente presentan una capalmite de fluido en las zonas en las que las fuerzas viscosas son
predominantes. Las capas lmites pueden ser laminares o turbulentas.
El clculo del nmero adimensional de Reynolds determinar si el flujo es
laminar, transicional, o turbulento.
Figura 5.5 - Desprendimiento de la capa lmite
El desprendimiento de la capa lmite ocurre cuando se desplaza lo suficiente
en contra de un gradiente de presiones adversas para que la velocidad
relativa de la capa lmite respecto del objeto se hace nula.
El flujo se separa de la superficie del objeto y aparecen remolinos y vrtices.
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Esto provoca una variacin importante en el coeficiente de resistencia al
avance, por lo que su correcta caracterizacin ser la clave de la
Metodologa.
Para ello, se hace necesario modelar el perfil de variacin de velocidad del
flujo en el entorno de la superficie del objeto.
Podra pensarse en incrementar el nmero de elementos en el entorno de la
superficie de tal forma que fuese posible capturar este fenmeno, pero el
coste computacional lo hara extremadamente ineficiente.
Sin embargo, se incorporarn frmulas empricas para representar el perfil
logartmico de la velocidad en el entorno de la superficie, mediante el
parmetro adimensional y+, que representa la distancia a la superficie del
cilindro.
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5.2.7 Turbulencia
Hay muchas filosofas distintas para incorporar la turbulencia a un estudiocomputacional con CFD, teniendo un campo de aplicacin diverso, con una
eficacia y coste computacional muy variable.
Existen multitud de estudios acerca del flujo sobre cilindros, siendo
especialmente reseables los realizados por M.M. Zdravkovich [14],
predominantemente tericos y experimentales.
Tambin existen diversos anlisis computacionales hechos con mayor o
menor profundidad, siendo el ms destacable el de Kai Fan Liaw [15], sin
embargo, se pretende en este proyecto aportar un avance en el campo de la
determinacin de los modelos de turbulencia ms adecuados para la
simulacin de este fenmeno.
Para ello, se realizar un estudio sobre los modelos de turbulencia RANS
(Reynolds Averaged Navier-Stokes), con el fin de determinar el modelo de
turbulencia ms adecuado en el caso objeto de estudio, para cada nmero
adimensional de Reynolds.
Este estudio, que es uno de los objetivos del proyecto, constituye un
avance cientfico en la caracterizacin de los modelos de turbulencia RANS
(k-, k- y RSM) ms adecuados para la simulacin computacional de flujos
sobre cilindros en CFD, y es uno de los beneficios tcnicos ms importantes
del mismo.
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5.3 Especificacin de la simulacin del WEC con lasEcuaciones de Navier-Stokes en CFD
5.3.1 Dominio computacional
El dominio computacional deber ser capaz de representar la evolucin de la
ola correctamente, de tal forma que la distancia a los contornos no modifique
los resultados.
Adicionalmente, dada la simetra de la geometra, y teniendo en cuenta que
el WEC se orientar en el sentido de la ola incidente, se simularaexclusivamente la mitad del fenmeno, para lo que se incorporar un
contorno de simetra, reduciendo en al menos un orden de magnitud el coste
computacional.
A nivel orientativo, se garantizar que el flujo est completamente
desarrollado si la distancia del cilindro al contorno de entrada es de 10
dimetros, al contorno de salida es de 30 dimetros, y a las paredes superior
e inferior es de 20 dimetros
En este caso, a modo orientativo, y basado en experiencias previas, se
garantizara que la ola est completamente desarrollada (en WECs esbeltos
orientados en el sentido del avance de la ola) si la distancia al contorno de
entrada es de 1 Lpp (Longitud entre Perpendiculares), al contorno de salida
es de 3 Lpp, y a los contornos laterales de 10 Lpp.
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5.3.2 Condiciones de contorno
Se definirn distintas condiciones de contorno en las diferentes regiones deldominio [16].
Entrada del flujo: Velocity Inlet. Representa la entrada de un flujo de
velocidad conocida en una regin.
Es de utilidad para simular flujos incompresibles, como en el caso que
ocupa.
En este caso, la velocidad no ser un valor constante, sino que se
impondr que sea regulada por la funcionalidad VOF Waves, con las
caractersticas del oleaje en funcin del tiempo, siendo la base de la
generacin de la ola a lo largo de la simulacin.
Para la especificacin de la intensidad turbulenta en el contorno, en
base a los parmetros k y psilon, se emplearn valores acordes a los
sugeridos en las guas ERCOFTAC [17].
Salida del flujo: Pressure Outlet. Representa la salida de un flujo.
Es de vital importancia que la condicin no tenga influencia en la
situacin aguas arriba.
Al existir una importante concentracin de remolinos asociados a la
ola, imponer una condicin demasiado restrictiva podra afectar al
flujo, debiendo prestarse especial atencin a la posibilidad de que
exista retroflujo.
En ese caso, la solucin ms recomendable ser reducir el rea del
contorno de salida.
Contornos superior e inferior: Wall - free slip. Representa unasuperficie impermeable.
Al restringir numricamente el deslizamiento, se consigue que los
efectos de la friccin no afecten al flujo en las zonas cercanas al
contorno.
Como la distancia al WEC es suficiente para que la ola no tenga una
afeccin demasiado significativa por parte del slido, cosa que queda
garantizada segn la especificacin anterior, el flujo estar
correctamente modelado.
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Superficie del WEC: Wall - no slip. Representa una superficie
impermeable.En ella, la velocidad se incrementa desde cero en la superficie hasta
la velocidad de flujo libre a una cierta distancia de la superficie.
La ley que regular este incremento se detallar en el Modelado en el
Entorno de la Pared.
Deber prestarse especial atencin en la correcta definicin de la
rugosidad del WEC.
Contorno simtrico: Simmetry. Esta condicin asume que los
gradientes perpendiculares a la superficie son nulos.
Figura 5.6 - Mallado del WEC
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5.3.3 Generacin de la malla
La malla deber ser lo suficientemente precisa para capturar todas lasparticularidades del flujo.
La precisin de la simulacin aumentar con el nmero de elementos, es
decir, aumentar al reducir el tamao de los elementos.
Sin embargo, un nmero demasiado elevado de elementos (por encima de
2.000.000 de elementos para un nico equipo informtico con los mejores
componentes de comercializacin estndar existentes en la actualidad)
causar una bajada en el rendimiento de tal magnitud que se reducir la
aplicabilidad del mtodo.
Por todo ello, un empleo eficiente del nmero de elementos se hace
imprescindible.
Debido a esto, al igual que se ha especificado en las especificaciones de la
determinacin mediante simulacin CFD del coeficiente de resistencia al
avance, se hace necesario incorporar diversos controles volumtricos as
como capas prismticas en la superficie del cilindro.
El modelo de generacin empleado ser estructurado (trimmer), del orden
de 100.000 elementos, teniendo en cuenta las siguientes particularidades:
Evitar el empleo de subzonas tetradricas en la capa lmite por no ser
adecuadas a flujos con una direccin muy predominante.
Alta precisin en los contornos al implementar condiciones peridicas.
Emplear relaciones de aspecto (el ratio entre las dimensiones
principales de cada elemento) inferiores a 20, existiendo la posibilidad
de sobrepasar ligeramente esta relacin en los bordes.
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5.3.4 Discretizacin
La precisin global de la solucin viene limitada por el componente de menororden de la discretizacin.
Por tanto, se emplear discretizacin con precisin de primer orden
(Euler Regresivo) tanto en el espacio como en el tiempo. Adicionalmente, se
verificar que el paso temporal no afecte a la solucin final.
Para ello, se comprobar que el paso temporal est adaptado a la malla
generada apoyndose en la frecuencia de la ola incidente.
Para ello, se emplear un paso temporal de 0.005 segundos, que
corresponde a una frecuencia de simulacin de 200 Hz.
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5.3.5 Modelado del entorno de pared
La dificultad de la definicin del perfil de presiones y velocidades en elentorno de la pared no se resuelve explcitamente mediante el modelo
numrico, sino que se obtiene mediante el empleo de funciones de pared.
Para construir estas funciones, la regin cercana a la pared se caracteriza
por medio de variables adimensionales relacionadas con las condiciones del
flujo en el contorno.
Se define el parmetro adimensional y+ de las celdas en funcin de la
densidad, velocidad, viscosidad y esfuerzo cortante. Este parmetro
adimensional sirve para caracterizar el flujo en las proximidades del
contorno.
Se deber acotar el valor de y+ entre 30 y 100. De la correcta determinacin
de estos parmetros adimensionales depender la precisin del trmino
viscoso obtenido, as que su completo entendimiento ser vital para una
satisfactoria prediccin de la influencia de la viscosidad en la hidrodinmica
del WEC.
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5.3.7 Interfase
Para la caracterizacin de la superficie libre se utilizar un mtodo decaptura de interfase, que resuelve los parmetros turbulentos RANS en una
malla predefinida que abarca el conjunto del dominio.
De todos los mtodos de captura de interfase existentes, se emplear el
mtodo VOF para el modelado de la interfase (del ingls: Volume of Fluid).
Este mtodo se basa en la asuncin de que ambas fases forman parte de un
nico fluido. Posteriormente, se asigna a cada elemento el valor 0 1 en
funcin de si est en una fase o en otra. La superficie libre vendr definida
por los elementos que hagan de frontera. La asignacin de los valores
vendr dada por la fsica particular.
En el caso que ocupa este anlisis, dicha asignacin ser hecha por la ola,
en su propagacin en forma de onda. Eso se conseguir mediante la
activacin de una funcionalidad (VOF of Waves) que permita generar la
condicin de oleaje a lo largo del dominio en base a las caractersticas de la
ola que se desee simular.
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5.3.8 Modelo de ola
Las olas que incidirn sobre el WEC, ser caracterizadas mediante lafuncin VOF of Waves, que regular en todo momento las distintas
condiciones de contorno as como la interfase agua-aire.
Para definir las olas existen distintas teoras de oleaje:
Teora de Stokes
Teora de Airy (formulacin de primer orden de la Teora de Stokes)
Teora de Olas Cnoidales
Teora de Olas Solitarias
Figura 5.7 - Rangos de aplicabilidad de las distintas teoras de oleaje
En base a las caractersticas del oleaje donde opera el WEC a analizar (ascomo la mayor parte de los convertidores offshore), la Teora de Airy ser la
ms adecuada para definir el flujo.
Adems, podr emplearse la aproximacin de aguas profundas ya que la
relacin entre la profundidad y la longitud de onda de la ola es mayor que 0,5
[18].
Por tanto, se simular empleando la Teora de Airy para aguas profundas.
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5.4 Otras especificaciones
5.4.1 Limitacin de fuentes de error
En la realizacin de todas las simulaciones deber hacerse un chequeo de
siete posibles fuentes de error:
Errores en el modelo e incertidumbres
Errores de discretizacin
Errores de convergencia
Errores de redondeo
Incertidumbres en la aplicacin
Errores de usuario
Errores en el cdigo computacional
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5.4.2 Convergencia de malla
Para poder cuantificar con rigor los resultados obtenidos en una simulacincomputacional, deber comprobarse la independencia del tamao de la
malla en los resultados.
Es decir, deber asegurarse que los resultados no sufriran una variacin
apreciable (o que sta estara en los mrgenes aceptados para cada
variable cuantificada) en el caso de aumentar la precisin de la malla.
Para garantizar la convergencia espacial, se realizar un minucioso anlisis
mediante el mtodo del ndice de Convergencia de Malla (GCI, del ingls:
Grid Convergence Index), desarrollado por P.J. Roache [19].
Este mtodo est basado en la obtencin de un GCI en base a una triada de
resultados para distintas precisiones de malla. Esto ayudar a resolver el
recurrente problema de determinar cul es la precisin de malla adecuada.
Mediante un procedimiento estandarizado, e independiente del tamao de la
malla en trminos absolutos, se relacionarn los resultados de los
refinamientos a los esperados de un aumento en la precisin del mallado
usando un mtodo numrico de segundo orden, basndose en la
extrapolacin de Richardson.
Figura 5.8 - Ejemplo de aplicacin de la extrapolacin de Richardson
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6. RESUMEN DE LA METODOLOGA
o 1 - Simulacin del WEC con la Teora del Flujo Potencial en MEC:obtencin de la hidrodinmica aproximada
El primer paso consistir en simular el convertidor bajo la Teora del
Flujo Potencial en el Mtodo de los Elementos de Contorno, de la forma
que se hace actualmente en la industria.
Se emplear el software Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc.
Programa de anlisis de estructuras marinas basado en la Teora delFlujo Potencial y el Mtodo de los Elementos de Contorno (MEC).
De esta forma, se obtendr la hidrodinmica aproximada del WEC de
una forma rpida y eficiente.
o 2 - Determinacin del trmino viscoso de una geometra equivalente
en flujo sumergido con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD
El segundo paso consistir en determinar el trmino viscoso de una
geometra equivalente (un cilindro en el caso del Oceantec de Tecnalia).
Se emplear el Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de
mecnica de fluidos computacional basado en las Ecuaciones de Navier-
Stokes y el Mtodo de los Volmenes Finitos (MVF).
Mediante este procedimiento se obtendr el Coeficiente de Resistencia
al Avance del flujo sumergido, como indicador del efecto de laviscosidad.
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o 3 - Simulacin del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes en
CFD: obtencin de la hidrodinmica precisa
El tercer paso consistir en simular el convertidor bajo las Ecuaci