Aerodynamic loads on bluff bodies under wind gusts

Esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de las cargas aerodinamicas no estacionario en romos cuerpos o no aerodinamicos (bluff bodies). Con este objetivo se han identificado y analizado los siguientes puntos: -Caracterizacion del flujo medido con diferentes tipos de tubos de Pitot y anemometro de hilo caliente en condiciones de flujo no estacionario inestable generado por un tunel aerodinamico de rafagas. -Diseno e integracion de los montajes experimentales requeridos para medir las cargas de viento internas y externas que actuan sobre los cuerpos romos en condiciones de flujo de viento con rafagas. -Implementacion de modelos matematicos semi-empiricos basados en flujo potencial y las teorias fenomenologicas pertinentes para simular los resultados experimentales. -En diversan condiciones de flujo con rafagas, la identificacion y el analisis de la influencia de los parametros obtenida a partir de los modelos teoricos desarrollados. -Se proponen estimaciones empiricas para averiguar los valores adecuados de los parametros que influyente, mediante el ajuste de los resultados experimentales y los predichos teoricamente. Los montajes experimentales se has reakizado en un tunel aerodinamico de circuito abierto, provisto de baja velocidad, camara de ensayes cerrada, un nuevo concepto de mecanismo generador de rafaga sinusoidal, disenado y construido en el Instituto de Microgravedad "Ignacio Da Riva" de la Universidad Politecnica de Madrid, (IDR / UPM). La principal caracteristica de este tunel aerodynamico es la capacidad de generar un flujo con un perfil de velocidad uniforme y una fluctuacion sinusoidal en el tiempo. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar el efecto de los flujos no estacionarios en cuerpos romos situados en el suelo. Se han propuesto dos modelos teoricos para diterminar las cargas de presion externas e internas respectivamente. Con el fin de satisfacer la necesidad de la crea rafagas de viento sinusoidales para comprobar las predicciones de los modelos teoricos, se han obtenido velocidades de hasta 30 m/s y frecuencias rafaga de hasta 10 Hz. La seccion de la camara de ensayos es de 0,39 m x 0,54 m, dimensiones adecuadas para llevar a cabo experimentos con modelos de ensayos. Se muestra que en la gama de parametros explorados los resultados experimentales estan en buen acuerdo con las predicciones de los modelos teoricos. Se han realizado pruebas experimentales para estudiar los efectos del flujo no estacionario, las cuales pueden ayudar a aclarar el fenomeno de las cargas de presion externa sobre los cuerpos romos sometidos a rafagas de viento: y tambien para determinan las cargas de presion interna, que dependen del tamano de los orificios de ventilacion de la construccion. Por ultimo, se ha analizado la contribucion de los terminos provenientes del flujo no estacionario, y se han caracterizado o los saltos de presion debido a la perdida no estacionario de presion a traves de los orificios de ventilacion. ABSTRACT This Doctoral dissertation has been focused to study the unsteady aerodynamic loads on bluff bodies. To this aim the following points have been identified and analyzed: -Characterization of the flow measured with different types of Pitot tubes and hot wire anemometer at unsteady flow conditions generated by a gust wind tunnel. -Design and integrating of the experimental setups required to measure the internal and external wind loads acting on bluff bodies at gusty wind flow conditions. -Implementation of semi-empirical mathematical models based on potential flow and relevant phenomenological theories to simulate the experimental results. -At various gusty flow conditions, extracting and analyzing the influence of parameters obtained from the developed theoretical models. -Empirical estimations are proposed to find out suitable values of the influencing parameters, by fitting the experimental and theoretically predicted results. The experimental setups are performed in an open circuit, closed test section, low speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” of the Universidad Politecnica de Madrid, (IDR/UPM). The main characteristic of this wind tunnel is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and a sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental tests have been devoted to study the effect of unsteady flows on bluff bodies lying on the ground. Two theoretical models have been proposed to measure the external and internal pressure loads respectively. In order to meet the need of creating sinusoidal wind gusts to check the theoretical model predictions, the gust wind tunnel maximum flow speed and, gust frequency in the test section have been limited to 30 m/s and 10 Hz, respectively have been obtained. The test section is 0.39 m × 0.54 m, which is suitable to perform experiments with testing models. It is shown that, in the range of parameters explored, the experimental results are in good agreement with the theoretical model predictions. Experimental tests have been performed to study the unsteady flow effects, which can help in clarifying the phenomenon of the external pressure loads on bluff bodies under gusty winds: and also to study internal pressure loads, which depend on the size of the venting holes of the building. Finally, the contribution of the unsteady flow terms in the theoretical model has been analyzed, and the pressure jumps due to the unsteady pressure losses through the venting holes have been characterized.