Non-linear aeroelastic behavior of large horizontal-axis wind turbines:A multibody system approach

In this paper, we present the development of a rigid-flexible multibody model which, coupled with an existing aerodynamic model, is used to numerically simulate the non-linear aeroelastic behavior of large horizontal-axis wind turbines. The model is rather general, different configurations could be easily simulated though it is primarily intended to be used as a research tool to investigate influences of different dynamic aspects. It includes: i) a supporting tower; ii) a nacelle which contains the electricity generator, the power electronics and the control systems; iii) a hub, where the blades are fixed, connected to the generator rotating shaft; and, iv) three blades which extract energy from the airstream. The blades are considered flexible, and their equations of motion are discretized in space domain by using beam finite elements capable of taking into account the non-linearities coming from the kinematics. The tower is also considered flexible, but its equations of motion are discretized by using the method of assumed-modes. The nacelle and hub are considered rigid, and their equations of motion take into account the effects of the kinematic non-linearities. Due to the system complexity, the tower, nacelle and hub are modeled as a single kinematic chain and each blade is modeled separately. Constraint equations are used to connect the blades to the hub. The resulting governing equations are differential-algebraic, and these are numerically and interactively solved in the time domain by using a fourth order predictor-corrector scheme. The results help to understand the wind speed influence on: i) the rotor angular speed; ii) the after-forward and side-to-side displacements of the tower; and, iii) the flap- and edge-wise displacements of the blades. © 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.Fil: Gebhardt, Cristian Guillermo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; ArgentinaFil: Preidikman, Sergio. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Estudios Avanzados en Ingeniería y Tecnología. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Instituto de Estudios Avanzados en Ingeniería y Tecnología; ArgentinaFil: M. H. Jørgensen. Aalborg University; DinamarcaFil: Massa, Julio Cesar. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentin

Análisis de vibraciones de vigas rotantes utilizando las ecuaciones de movimiento de Kane y el método de los modos asumidos

Fil: Gómez, C. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Gómez, C. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Fil: Preidikmana, S. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Preidikmana, S. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Fil: Roccia, B. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Roccia, B. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ciencias Básicas; Argentina.Fil: Roccia, B. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Numerosos trabajos para estudiar las características de vibraciones libres de vigas sometidas a movimientos de rotación fueron motivados por el diseño de rotores de helicópteros, brazos robóticos, y turbinas eólicas, entre otros. En este trabajo, se derivan las ecuaciones de movimiento de Kane que gobiernan la dinámica de una viga libre en un extremo y empotrada en el otro a una base sometida a un movimiento de rotación con velocidad angular constante. Se considera el movimiento axial y dos movimientos transversales (edge-wise y flap-wise) de la viga y se adopta un modelo de Euler-Bernoulli con propiedades homogéneas. Las ecuaciones de movimiento se discretizan espacialmente mediante el método de Rayleigh-Ritz de los modos asumidos. Se desarrolló una herramienta computacional que permite calcular las frecuencias y modos naturales de vibrar del sistema giroscópico en función de la velocidad angular de rotación de la base y del número de modos asumidos utilizados en la discretización espacial. Del análisis de la dinámica del sistema en estudio se concluye que existe un acoplamiento entre los movimientos edge-wise y axial, y debido al mismo es posible captar el fenómeno de pandeo (frecuencia natural nula) de la estructura a una cierta velocidad de rotación de la base. Las simulaciones numéricas llevadas a cabo han mostrado este fenómeno y, además, han puesto en evidencia la existencia de un cruce entre las frecuencias porque cada modo evoluciona con el aumento de velocidad angular de distinta manera. Además, se analizaron las características modales del movimiento transversal flap-wise que está desacoplado y se representó gráficamente el comportamiento de las frecuencias naturales del sistema que crecen con la velocidad de rotación de la base.http://www.cibb.org.ar/congresoenergia/Fil: Gómez, C. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Gómez, C. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Fil: Preidikmana, S. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Preidikmana, S. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Fil: Roccia, B. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Roccia, B. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ciencias Básicas; Argentina.Fil: Roccia, B. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Buenos Aires; Argentina.Mecánica Aplicad

Aeroelasticidad computacional de grandes aerogeneradores: estado del arte, desafíos y áreas de vacancia

El objetivo de este trabajo es presentar el estado del arte, los desafíos y las áreas de vacancia en lo relativo al análisis aeroelástico computacional, con un enfoque de co-simulación, de grandes turbinas eólicas de eje horizontal. El material expuesto servirá como base para la orientación de trabajos futuros en esta rama de la mecánica aplicada y como introducción de los aspectos fundamentales para quienes se inicien en el tratamiento de problemas acoplados con un abordaje multifísico. La simulación de sistemas complejos, compuestos de varios subsistemas que interactúan, es importante en muchos campos de la ciencia y en aplicaciones tecnológicas. Una manera de abordar tales problemas es mediante un enfoque de co-simulación, es decir, mediante la ejecución simultánea de múltiples simuladores, uno para cada uno de los subsistemas que interactúan. El desarrollo de tal tipo de herramienta requiere la definición de algoritmos de interacción para vincular las soluciones generadas por cada uno de los simuladores a nivel numérico, tanto espacial como temporalmente. El análisis aeroelástico de turbinas eólicas mediante el paradigma de co-simulación incluye, al menos, tres componentes: un modelo estructural para determinar la respuesta de la máquina a las cargas aerodinámicas, un modelo aerodinámico para calcular las cargas actuantes sobre la máquina, y un método de interacción para vincular los dos modelos antes mencionados.El abordaje de co-simulación debe producir soluciones comparables a aquellas que se obtendrían mediante un adecuado enfoque monolítico. La elección del método de interacción dependerá fuertemente de los modelos estructural y aerodinámico utilizados. La decisión sobre qué submodelos utilizar estará basada, en cambio, en el aspecto que desee estudiarse: las exigencias sobre cada sub-simulador son muy diferentes si se requiere, por ejemplo, estudiar la interacción entre las estelas vorticosas generadas por cada una de las turbinas que conforman un parque eólico, o si se desea predecir la delaminación en el material compuesto utilizado para construir las palas de una turbina cuando estas están sometidas a la carga de trabajo máxima. Diferencias sustanciales están asociadas también al costo computacional esperado. En este trabajo se analizan los diferentes aspectos involucrados en el análisis computacional multifísico del comportamiento aeroelástico de grandes aerogeneradores de eje horizontal. Se presentan y comparan diferentes alternativas utilizadas en la actualidad, tanto en el ámbito académico como en el industrial. Además, se realiza un análisis de las áreas poco desarrolladas y que podrían tener impacto en un futuro cercano para el desarrollo de turbinas y parques eólicos.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 25Facultad de Ingenierí

Vibraciones libres de vigas rotantes utilizando las ecuaciones de movimiento de Kane y el método de los modos asumidos

El diseño de rotores de helicópteros, brazos robóticos, turbinas eólicas y otros sistemas mecánicos que involucran movimientos giratorios, ha motivado numerosos estudios sobre los modos de vibrar de vigas sometidas a movimiento de rotación. En este trabajo, se derivan las ecuaciones de movimiento que gobiernan la dinámica de una viga que está empotrada en uno de sus extremos (viga en voladizo) a una base sometida a un movimiento de rotación con velocidad angular constante. Se considera un modelo de viga de Euler-Bernoulli con propiedades homogéneas. Para encontrar las ecuaciones de movimiento que gobiernan el desplazamiento axial y transversal (flap-wise y edge-wise) de la viga, se utiliza: i) las ecuaciones dinámicas de Kane y, ii) el método de Rayleigh-Ritz de los modos asumidos que permite discretizar espacialmente el sistema continuo. Las simulaciones numéricas muestran que al aumentar la velocidad de giro, las frecuencias naturales de vibración aumentan; aunque existe una velocidad que anula la primera frecuencia natural del sistema acoplado axial-edgewise lo que indica el “pandeo” de la estructura. Es posible captar este fenómeno porque se considera el acoplamiento entre los movimientos edge-wise y axial. En tanto que, el movimiento flap-wise tiene un comportamiento más previsible donde las frecuencias naturales crecen monótonamente con la velocidad debido a la rigidización que introducen las fuerzas centrífugas.Facultad de Ingenierí

Vibraciones libres de vigas rotantes utilizando las ecuaciones de movimiento de Kane y el método de los modos asumidos

El diseño de rotores de helicópteros, brazos robóticos, turbinas eólicas y otros sistemas mecánicos que involucran movimientos giratorios, ha motivado numerosos estudios sobre los modos de vibrar de vigas sometidas a movimiento de rotación. En este trabajo, se derivan las ecuaciones de movimiento que gobiernan la dinámica de una viga que está empotrada en uno de sus extremos (viga en voladizo) a una base sometida a un movimiento de rotación con velocidad angular constante. Se considera un modelo de viga de Euler-Bernoulli con propiedades homogéneas. Para encontrar las ecuaciones de movimiento que gobiernan el desplazamiento axial y transversal (flap-wise y edge-wise) de la viga, se utiliza: i) las ecuaciones dinámicas de Kane y, ii) el método de Rayleigh-Ritz de los modos asumidos que permite discretizar espacialmente el sistema continuo. Las simulaciones numéricas muestran que al aumentar la velocidad de giro, las frecuencias naturales de vibración aumentan; aunque existe una velocidad que anula la primera frecuencia natural del sistema acoplado axial-edgewise lo que indica el “pandeo” de la estructura. Es posible captar este fenómeno porque se considera el acoplamiento entre los movimientos edge-wise y axial. En tanto que, el movimiento flap-wise tiene un comportamiento más previsible donde las frecuencias naturales crecen monótonamente con la velocidad debido a la rigidización que introducen las fuerzas centrífugas.Facultad de Ingenierí

Vibraciones libres de vigas rotantes utilizando las ecuaciones de movimiento de Kane y el método de los modos asumidos

El diseño de rotores de helicópteros, brazos robóticos, turbinas eólicas y otros sistemas mecánicos que involucran movimientos giratorios, ha motivado numerosos estudios sobre los modos de vibrar de vigas sometidas a movimiento de rotación. En este trabajo, se derivan las ecuaciones de movimiento que gobiernan la dinámica de una viga que está empotrada en uno de sus extremos (viga en voladizo) a una base sometida a un movimiento de rotación con velocidad angular constante. Se considera un modelo de viga de Euler-Bernoulli con propiedades homogéneas. Para encontrar las ecuaciones de movimiento que gobiernan el desplazamiento axial y transversal (flap-wise y edge-wise) de la viga, se utiliza: i) las ecuaciones dinámicas de Kane y, ii) el método de Rayleigh-Ritz de los modos asumidos que permite discretizar espacialmente el sistema continuo. Las simulaciones numéricas muestran que al aumentar la velocidad de giro, las frecuencias naturales de vibración aumentan; aunque existe una velocidad que anula la primera frecuencia natural del sistema acoplado axial-edgewise lo que indica el “pandeo” de la estructura. Es posible captar este fenómeno porque se considera el acoplamiento entre los movimientos edge-wise y axial. En tanto que, el movimiento flap-wise tiene un comportamiento más previsible donde las frecuencias naturales crecen monótonamente con la velocidad debido a la rigidización que introducen las fuerzas centrífugas.Facultad de Ingenierí

Implementación computacional del método de red de vórtices inestacionario: una versión basada en los paradigmas de programación orientada a objetos y co-simulación

La multi-física computacional ha adquirido un papel preponderante a medida que los avances en el ámbito de la investigación científica en ingeniería impulsaron la aparición de modelos cada vez más complejos y que exceden los métodos de análisis tradicionales. En este contexto, el presente desarrollo intenta proporcionar un marco generalizado de simulación computacional para análisis fluidodinámico basado en el método de red de vórtices inestacionario y no lineal, enfatizando aspectos tales como: i) el desarrollo de software fundado en el paradigma de la Programación Orientada a Objetos, ii) la utilización de técnicas de Computación de Alto Desempeño; y, iii) el diseño de software conducente a la vinculación con otras herramientas computacionales. El desarrollo siguiendo el paradigma de la Programación Orientada a Objetos facilita la implementación, la lectura, el mantenimiento y la extensibilidad del código, garantizando la expansibilidad necesaria para su utilización eficiente por distintos grupos de investigación. Por otro lado, se incorporaron rutinas de pre-procesamiento que requieren cantidades mínimas de información como datos de entrada. Esto brinda una gran flexibilidad frente a otras herramientas que tienen importantes restricciones respecto a la definición topológica de las mallas utilizadas. Se admiten también múltiples cuerpos rígidos y/o flexibles, definidos a partir de grillas independientes, con gran versatilidad en cuanto a: la elección de las zonas de convección de estelas, los tipos de elementos a utilizar, y otras características tales como condiciones de permeabilidad, y determinación de velocidades en puntos arbitrarios inmersos en el seno del fluido. Aún con una estructura de programación secuencial, el método de red de vórtices posee una excelente relación entre aplicabilidad y costo de cálculo. Sin embargo, se explotan varias de las posibilidades que ofrece el método para paralelizar el cómputo. El objetivo general de este esfuerzo es construir una herramienta funcional que combine la aceptación y aplicabilidad del método de red de vórtices, con la confiabilidad y versatilidad de un código modular bajo la metodología de la Programación Orientada a Objetos. Además, se explora la generación de estructuras computacionales de co-simulación que permitan atacar problemas gobernados por una aerodinámica inherentemente inestacionaria y no lineal.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 25Facultad de Ingenierí