Optimal energy harvesting from vortex-induced and transverse galloping vibrations

La creciente conciencia sobre los efectos negativos de los combustibles fosiles en el medio ambiente se ha convertido en el principal motor de desarrollo de tecnologias asociadas a la generacion de energias renovables en los ultimos anos. Asi mismo, dichas fuentes se han adecuado paulatinamente al concepto de generacion distribuida, en el que la generacion y almacenamiento de dicha energia se ubica cerca del destinatario final con capacidades de baja potencia (usualmente 10 MW o menos), lo que permite utilizar diferentes fuentes que conduzcan a un menor impacto ambiental. Algunas de las principales fuentes renovables que se usan tipicamente incluyen la biomasa, biogas, energia solar, energia geotermica y energia a partir de corrientes geofisicas. Estas corrientes constituyen un inmenso reservorio natural de energia que se encuentra presente en todo el planeta, pudiendo aparecer como corrientes de viento, rios, corrientes en el oceano o de marea entre otros. La mayoria de los conceptos que operan hoy en dia y que usan las corrientes geofisicas para extraer energia, se basan en turbinas de eje horizontal. Sin embargo, los aerogeneradores o turbinas de agua convencionales no pueden proporcionar una conversion de energia eficiente para aplicaciones de baja potencia. Esta limitacion ha fomentado la busqueda de nuevas tecnologias que puedan extraer energia de corrientes con grandes diferencias en sus caracteristicas (densidad, velocidad media, intensidad de turbulencia, etc.) de manera eficiente. Las vibraciones inducidas por flujo (FIV por sus siglas en ingles) surgen como un metodo prometedor para extraer energia de dichas corrientes geofisicos eficientemente. Los fenomenos de acoplamiento entre las estructuras elasticas y las corrientes circundantes pueden conducir a oscilaciones autosostenidas del cuerpo, que a su vez y de manera apropiada, se pueden transformar en energia electrica mediante el empleo de un transductor. Recientemente se ha considerado la posibilidad de utilizar diversos fenomenos de interaccion fluido-solida para extraer energia a partir de corrientes geofisicas, incluyendo entre otros fenomenos las vibraciones inducidas por vortices (VIV por sus siglas en ingles), galope transversal o torsional, flameo o vibraciones inducidas por la estela. En la presente tesis se analizan las oscilaciones a partir de VIV y galope transversal para la busqueda de configuraciones optimas con el objetivo de maximizar la produccion de energia. En primer lugar, se explora el fenomeno de VIV de un cilindro circular. VIV es un tipo de resonancia dentro de los FIV, donde los vortices de gran escala se desprenden periodicamente de la superficie del cuerpo que conduce a la aparicion de una fuerza fluida alterna sobre el cuerpo. Como tal, las oscilaciones solo ocurren para un rango dado de velocidades incidente de la corriente, en donde la frecuencia de emision de vortices coincide con la frecuencia natural de oscilacion del cuerpo. En particular, se busca evidenciar si mediante una rotacion activa del cilindro circular a lo largo de su eje, proporcional a la dinamica de dicho cilindro (es decir, proporcional a su desplazamiento transversal o a su velocidad transversal) es posible aumentar tanto la amplitud maxima de oscilacion del cilindro, asi como el rango de velocidades incidente de la corriente donde ocurre dicha resonancia, con el objeto de mejorar al maximo posible la extraccion de energia. Ademas, como resultado secundario, se evalua la posibilidad de reducir las oscilaciones para proteger posibles estructuras que no esten destinadas a oscilar. El efecto de la rotacion del cilindro circular sometido a oscilaciones de FIV se investiga tanto numericamente para el regimen de bajo numero de Reynolds (mediante un esquema de Lattice Boltzmann Method), como experimentalmente en el canal de agua de recirculacion de superficie libre "Antonio Barrero Ripoll" para el rango medio del numero de Reynolds. Adicionalmente, se ha utilizado la tecnica de Velocimetria de Imagen de Particulas (PIV) para visualizar las estructuras principales de la estela que aparecen tras el cilindro y determinar cualitativamente el efecto que tiene dicha rotacion sobre los vortices que aparecen. \\ En segundo lugar, se examina la generacion de energia a partir del galope transversal. El galope transversal es una inestabilidad autoinducida, en la que un pequeno desplazamiento del cuerpo inmerso en un flujo transversal conduce a un movimiento oscilatorio con amplitud creciente, una vez superada una velocidad critica. A diferencia de VIV, el galope transversal no es un tipo de resonancia dentro de los FIV, por lo tanto, una vez que aparece el galope transversal, la amplitud continua aumentando con la velocidad incidente. En general, se ha demostrado que el galope transversal se puede describir correctamente a traves de una descripcion cuasi-estatica no lineal de las fuerzas fluidas, como resultado de la disparidad entre la escala del tiempo caracteristico de oscilacion del cuerpo y la escala de tiempo de residencia fluida. Esto permite tratar analiticamente el problema. En la presente tesis se estudia un tratamiento analitico integral del problema de extraccion de energia a partir del fenomeno de galope transversal. En un primer momento, se han considerado dos tipos de transductores (electromagneticos / piezoelectricos) para la obtencion de configuraciones optimas que maximicen la extraccion energetica. Tambien se analiza un sistema de doble masa. Una masa secundaria (fuera del flujo) se monta elasticamente en el prisma galopante para determinar si se puede mejorar la eficiencia. Finalmente, se considera la posibilidad de girar el cuerpo galopante con el objeto de aumentar la extraccion de energia analizandose a traves de un modelo cuasi-estatico y comparandolo con simulaciones numericas a Reynolds 100.