Source: https://es.scribd.com/doc/160979872/Garcia-J-2013-1-SUMMARY
Timestamp: 2017-02-23 02:55:32+00:00

Document:
García J.,2013_1-SUMMARY
NavegarInteresesBiography & MemoirBusiness & LeadershipFiction & LiteraturePolitics & EconomyHealth & WellnessSociety & CultureHappiness & Self-HelpMystery, Thriller & CrimeHistoryYoung AdultNavegar porLibrosAudio librosNoticias & RevistasPartiturasExplorar todoSubirIniciar sesiónRegistrarseINGENIARITZA GOI ESKOLA TEKNIKOA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA BILBAOPROYECTO
METODOLOGÍA HÍBRIDA PARA EL ANÁLISIS COMPUTACIONAL DE CONVERTIDORES DE ENERGÍA DE LAS OLAS
Alumno Titulación Fecha Firma
García, Ibáñez, Julen Ingeniería Industrial Junio de 2013
Sr. Ruiz Minguela
Sr. Peña Bandrés
II.13.511.C.C.
Autor: Julen García Director del Proyecto: Alberto Peña Tutor en Tecnalia: PierPaolo Ricci Profesor de Proyectos: Luis Ruiz Minguela Precursor del Proyecto y Tutor en Tecnalia: Imanol Touzón Precursor del Proyecto: Beñat Rodríguez
pág. 1. 2. 3. INTRODUCCIÓN....................................................................................1 OBJETIVOS ...........................................................................................8 BENEFICIOS TÉCNICOS, ECONÓMICOS Y SOCIOAMBIENTALES ........................................................................ 10 3.1 Beneficios técnicos .................................................................... 10 3.2 Beneficios económicos .............................................................. 11 3.3 Beneficios socioambientales ...................................................... 13 DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN ..................................................... 14 4.1 4.2 Descripción general ................................................................... 14 Alternativas de convertidor ........................................................ 15 4.2.1 Ubicación del convertidor ............................................ 16 4.2.2 Principio de captación del convertidor ......................... 18 4.2.3 Tamaño y orientación del convertidor ......................... 25 Criterio de selección del convertidor .......................................... 27 Selección del convertidor ........................................................... 28 4.4.1 Ubicación del convertidor ............................................ 28 4.4.2 Principio de captación del convertidor ......................... 29 4.4.3 Tamaño y orientación del convertidor ......................... 31 Descripción de la solución ......................................................... 32 4.5.1 Oceantec, de Tecnalia e Iberdrola .............................. 32 4.5.2 Teoría del flujo potencial: Método de los Elementos de Contorno .............................................. 38 4.5.3 Ecuaciones de Navier-Stokes: Método de los Volúmenes Finitos (MVF) y Método de los Elementos Finitos (MEF) ............................................. 41 4.5.4 5. Metodología Híbrida .................................................... 45
ESPECIFICACIÓN DE NECESIDADES DE LA METODOLOGÍA .................................................................................. 47
Visión general ............................................................................ 47 Especificación de la determinación del coeficiente de Drag con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD.................. 49 5.2.1 Bidimensionalidad ....................................................... 49 5.2.2 Dominio computacional ............................................... 50 5.2.3 Condiciones de contorno............................................. 51 5.2.4 Generación de la malla ............................................... 53 5.2.5 Discretización .............................................................. 54 5.2.6 Modelado del entorno de pared .................................. 55 5.2.7 Turbulencia ................................................................. 57 Especificación de la simulación 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 Generación de la malla ............................................... 61 5.3.4 Discretización .............................................................. 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 Otras especificaciones ............................................................... 67 5.4.1 Limitación de fuentes de error ..................................... 67 5.4.2 Convergencia de malla ............................................... 68
RESUMEN DE LA METODOLOGÍA .................................................... 69 PLAN DEL PROYECTO ...................................................................... 72 7.1 Fases ......................................................................................... 72 7.1.1 FASE 1. Análisis de la teoría hidrodinámica marina ......................................................................... 72 7.1.2 FASE 2. Análisis de los métodos numéricos para la simulación hidrodinámica marina .................... 73 7.1.3 FASE 3. Simulación del WEC con la Teoría del Flujo Potencial............................................................. 74
7.1.6 7.1.7
FASE 4. Análisis de la resistencia al avance y los modelos de turbulencia con las Ecuaciones de Navier-Stokes......................................................... 75 FASE 5. Simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes y diseño del criterio de parada ........................................................ 76 FASE 6. Análisis de la ecuación de Morison ............... 77
7.2 7.3 7.4 7.5 8.
FASE 7. Generación del modelo híbrido en Matlab y calibración de la influencia del término viscoso ........................................................................ 78 7.1.8 FASE 8. Pruebas de validación con datos experimentales ............................................................ 79 7.1.9 FASE 9. Diseño e implantación de la Metodología Híbrida .................................................... 80 Duración total ............................................................................. 81 Reuniones de proyecto .............................................................. 81 Hitos ........................................................................................... 82 Diagrama de Gantt..................................................................... 83
RECURSOS HUMANOS Y MATERIALES .......................................... 84 8.1 Recursos Humanos ................................................................... 84 8.2 Recursos Materiales .................................................................. 86 RESUMEN DEL PRESUPUESTO ....................................................... 87
10. RIESGOS DEL PROYECTO ................................................................ 88 REFERENCIAS ............................................................................................ 89
La energía es un bien preciado. El interés por el desarrollo de fuentes de energía alternativas se ha incrementado en los últimos años [1]. Entre los factores que han favorecido este auge se encuentran: el constante incremento del precio de los combustibles fósiles, el crecimiento progresivo de la población mundial, el aumento de la demanda energética o el calentamiento global.
Figura 1.1 - Porcentaje de generación de energía eléctrica con recursos renovables por países
Pero no todas las energías renovables han crecido al mismo ritmo. Varias de ellas, como la energía eólica, o la solar, han experimentado una espectacular evolución, amparadas en la existencia de un recurso abundante, un marco regulatorio favorable y una elevada capacidad industrial y tecnológica.
Sin embargo, otras energías, como la energía undimotriz, o energía de las olas, se encuentran en una fase de desarrollo inicial, encontrándose aún lejos de explotar todo su potencial. La energía undimotriz presenta grandes ventajas, como su enorme densidad energética y su elevada predictibilidad, siendo ambas netamente superiores a las de otras tecnologías asociadas a energías renovables. Los niveles del flujo medio anual de energía de olas oscilan entre 30 y 100 kW/m en latitudes comprendidas entre 40º y 60º, 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 energía anual no supera los 20 kW/m. La costa Europea representa algo menos del 20% del potencial de energía undimotriz mundial [2].
Figura 1.2 - Flujo medio anual de energía undimotriz en kilovatios por metro de frente de ola
Los climas con un mayor potencial energético se encuentran en mares profundos, lejos de la costa. No obstante, estos emplazamientos son los que mayores dificultades de explotación presentan por dos causas principales: los elevados costes de mantenimiento, y el aumento del coste de los cables eléctricos submarinos empleados para realizar la conexión con la red de tierra.
Por el contrario, los climas con un menor potencial energético son aquellos más cercanos a la costa, si bien en determinadas circunstancias pueden verse favorecidos por fenómenos de refracción y difracción. Por tanto, las ubicaciones deben llegar a un compromiso entre la viabilidad de la explotación y el flujo de energía disponible. Debido a esto, se suelen situar a unos pocos kilómetros de la costa, con profundidades inferiores a 100m.
Figura 1.3 - Convertidor Pelamis Wave Power de ScottishPower Renewables
Los primeros intentos de aprovechar la energía de las olas se remontan a fechas similares a los de otras energías renovables. A pesar de ello, el aprovechamiento de la energía undimotriz es mínimo en la actualidad, con una potencia instalada que se limita a unas pocas plantas piloto situadas en varios países. Ello es debido a la gran dispersión tecnológica existente en la actualidad, con muchas ideas propuestas pero sin ninguna que haya demostrado aún su liderazgo tecnológico [3].
Es por ello que las tecnologías encaminadas al aprovechamiento de la energía undimotriz precisan aún de una considerable inversión en investigación y desarrollo. Las perspectivas de desarrollo de la energía undimotriz en los años venideros son excelentes debido, en gran parte, al avance tecnológico acaecido en las últimas fechas. El potencial bruto estimado para esta tecnología es comparable al consumo actual de energía a nivel mundial, y es por ello que se presenta como una alternativa excelente para el suministro energético. Adicionalmente, la correlación entre el recurso y la demanda es buena debido a que el 40% de la población 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 tecnología de aprovechamiento de energía undimotriz ha posibilitado su reducción en un orden de magnitud.
Recientemente, se han monitorizado y evaluado las soluciones tecnológicas de algunos de los prototipos diseñados y éstos pueden pasar a una fase comercial en poco tiempo. Sin embargo, esta tecnología no podrá establecerse y competir contra las tecnologías renovables más avanzadas hasta que se consiga reducir la divergencia tecnológica existente en la actualidad. Por tanto, se precisan herramientas genéricas que conduzcan paulatinamente a una concepción estandarizada de los convertidores de energía de las olas, posibilitando reducir sustancialmente los plazos de desarrollo. En la actualidad, las universidades y los centros tecnológicos más avanzados, punta de lanza de la innovación tecnológica, combinan la simulación computacional con costosos ensayos experimentales en canal hidrodinámico, como paso previo a la construcción 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 Metodología 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 están desarrolladas bajo el cobijo numérico del método de los elementos de contorno y con la base de la Teoría del Flujo Potencial con olas lineales. Este enfoque permite una estimación eficiente del comportamiento básico del convertidor. Sin embargo, la omisión de la turbulencia y la asunción de irrotacionalidad, genera desviaciones respecto a la dinámica real, debiendo realizar calibraciones posteriores en canal hidrodinámico a fin de obtener información adicional que permita calibrar los cálculos realizados con estos métodos aproximados.
Para paliar este problema, este proyecto desarrolla una novedosa Metodología Híbrida de análisis basada en el uso combinado de la Teoría del Flujo Potencial y las Ecuaciones de Navier-Stokes, siendo la integración entre dos enfoques tan distintos la base innovadora de este proyecto.
Figura 1.5 - Planta de energía de las olas de Mutriku
La forma de abordar la hibridación consiste en combinar los distintos coeficientes hidrodinámicos en la ecuación de Morison, que aúna las componentes viscosa e inercial de las acciones sobre estructuras marinas, modificándola 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 método basado en la Teoría del Flujo Potencial.
Posteriormente, usando programación propia, se calibra el término viscoso, de tal forma que se ajusten los resultados obtenidos en las simulaciones del fenómeno completo realizadas bajo ambos prismas. Adicionalmente, se explora un terreno completamente desconocido en el presente: la simulación hidrodinámica, con las Ecuaciones de NavierStokes, de un dispositivo flotante de dos grados de libertad, bajo el influjo de oleaje real.
Figura 1.6 - Calle de Vórtices de Von-Karman generada con las Ecuaciones de Navier-Stokes
Para demostrar la efectividad de la Metodología, se validarán todos los resultados por medio de los obtenidos en estudios experimentales reales en el Centro de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo, del Ministerio de Defensa. Por tanto, se presentarán una serie de novedosos procedimientos que permitirán obtener una estimación precisa de las características oscilantes de las estructuras flotantes marinas, aplicando novedosos métodos que suponen una contribución científica. Aprovechando las ventajas de una eficiente integración de ambos métodos, y con el fin de posibilitar un estudio completo, eficiente y rentable, la Metodología será capaz de proporcionar una ventaja competitiva determinante.
El objetivo del proyecto es obtener una Metodología Híbrida para el análisis computacional de convertidores de energía de las olas. Esta Metodología permite predecir satisfactoriamente el comportamiento de un convertidor de energía de las olas (WEC: Wave Energy Converter), posibilitando una reducción importante en el tiempo de desarrollo y en el coste económico del proceso iterativo de análisis y diseño. Partiendo de un diseño preliminar, con una geometría y unas características basadas en experiencias anteriores, la Metodología es capaz de proporcionar eficientemente la dinámica precisa del modelo deseado. Los procedimientos que se abordan serán:  Simulación de la hidrodinámica de un WEC con la Teoría del Flujo Potencial aplicada al Método de los Elementos de Contorno. → Obtención de la hidrodinámica aproximada. Determinación gráfica y analítica de la evolución del Coeficiente de Resistencia al Avance con el número adimensional de Reynolds, según los modelos de turbulencia K-ε, K-ω y Reynolds Stress Model; para geometrías equivalentes al WEC en flujo sumergido, mediante las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a un software CFD (CFD: Computational Fluid Dynamics) basado en el Método de los Volúmenes Finitos.  Obtención del término viscoso de una geometría equivalente al WEC en flujo sumergido con las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a un software CFD basado en el Método de los Volúmenes Finitos. Simulación de la hidrodinámica de un WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a un software CFD basado en el Método de los Volúmenes Finitos. → Obtención de la hidrodinámica precisa.
Ajuste de la hidrodinámica aproximada con el Coeficiente de Resistencia al Avance mediante la Ecuación de Morison.
Generación en Matlab de un modelo en el dominio del tiempo que integre la hidrodinámica aproximada y el Coeficiente de Resistencia al Avance. → Obtención de la hidrodinámica modificada.
Las herramientas computacionales que se emplean para el desarrollo e implementación de la Metodología serán las siguientes:  Software Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc. Programa de análisis de estructuras marinas basado en la Teoría del Flujo Potencial y el Método de los Elementos de Contorno (MEC).  Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de mecánica de fluidos computacional basado en las Ecuaciones de Navier-Stokes y el Método de los Volúmenes Finitos (MVF). Software Matlab 7.14, de MathWorks. Programa de análisis numérico con lenguaje propio de programación integrado.
La Metodología está orientada para ser aplicada en centros tecnológicos y empresas enfocadas al desarrollo de las energías renovables marinas, con un amplio conocimiento previo de la simulación computacional de fenómenos de superficie libre, como forma de optimización de recursos en el proceso de análisis y diseño de Convertidores de Energía de las Olas. Los usuarios deben ser Ingenieros Mecánicos o Navales con amplios conocimientos de Dinámica de Sistemas Mecánicos, Mecánica de Fluidos y Simulación Computacional.
3. BENEFICIOS TÉCNICOS, ECONÓMICOS Y SOCIOAMBIENTALES
3.1 Beneficios técnicos
Optimización del proceso de análisis y diseño de estructuras flotantes marinas mediante una Metodología estandarizada. Desarrollo de un best practice guideline para la definición, el mallado y la determinación de la modelización física más adecuada para el estudio de estructuras flotantes marinas con software CFD.
Avance científico mediante la caracterización de los modelos de turbulencia más adecuados para el análisis computacional del efecto del número de Reynolds en el coeficiente de resistencia al avance de cuerpos sumergidos con software CFD.
Diseño de un innovador criterio de parada de simulaciones basadas en fenómenos oscilatorios y su posterior aplicación en un análisis espectral mediante la transformada de Fourier. Implementación de un nuevo código para la integración de los efectos inerciales y viscosos en la interacción mar-convertidor. Creación de un procedimiento optimizado de mallado para problemas de superficie libre. Obtención de una guía de iniciación al uso de software especializado en el comportamiento dinámico de estructuras offshore. Contribución al desarrollo de la tecnología asociada al aprovechamiento de la energía undimotriz. Limitación de la dependencia de pruebas experimentales en canal hidrodinámico y reducción del tiempo de desarrollo de los convertidores.
3.2 Beneficios económicos
Con la mejora de la precisión de las simulaciones, se reducirá el número de ensayos experimentales en canal hidrodinámico necesarios para el desarrollo de convertidores de energía de las olas. Con ello, se conseguirá una importante reducción de los costes totales del proceso de diseño, tanto por el menor gasto en las pruebas experimentales como por el menor tiempo requerido en el mismo.
Figura 3.1 - Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR). Laboratorio de Dinámica del Buque
El coste de un ensayo estandarizado en canal hidrodinámico de un generador undimotriz en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR) [5], según las tarifas y normas contenidas en la Orden Ministerial 19/2001 de 29 de Enero (BOE núm. 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 variación del 38,1%), que se desglosa como sigue:
Bloque I. Construcción de modelos de carenas y apéndices: 13.810 EUR. Bloque VII. Ensayos en canal de olas: 31.763 EUR. Bloque VIII. Cálculos de CFD: 8.286 EUR.
Un dispositivo de estas características requiere 4 ensayos en canal hidrodinámico para su perfeccionamiento antes de la creación del prototipo definitivo que será instalado en el mar. Con las mejoras del proceso de simulación introducidas en este proyecto, será suficiente realizar dos ensayos, con el consiguiente ahorro económico de 107.718 EUR.
Figura 3.2- Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR). Laboratorio de Dinámica del Buque
Adicionalmente, cada prueba experimental requiere 5 semanas hasta la obtención del informe de resultados, por lo que se conseguirá un beneficio económico adicional por la reducción del tiempo de diseño. Estimando que el coste debido al retraso en el proceso de diseño asociado a cada ensayo puede cuantificarse como un 25% del mismo, despreciando los efectos marginales, la Metodología proporcionará un beneficio adicional del 26.930 EUR. Por tanto, la Metodología Híbrida proporcionará un beneficio económico directo de 134.648 EUR por cada captador desarrollado.
3.3 Beneficios socioambientales
Participación en la expansión de las energías renovables favoreciendo la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles. Fomento del desarrollo de una energía con un potencial energético inigualable, superior a los 2 Teravatios.
Creación de nuevos puestos de trabajo con perfil altamente cualificado. Desarrollo de una energía ilimitada en cuanto a recursos, limpia y con escaso impacto visual. Limitación de los gases contaminantes emitidos a la atmósfera, expulsados en la combustión de combustibles fósiles.
Figura 3.3 - Esquema de conexión a la red de un Convertidor de Energía de las Olas
4. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN
En el proceso que va desde la concepción inicial de un nuevo proyecto de energía undimotriz hasta su implantación en el mar, el mayor reto se encuentra en la etapa del análisis predictivo del comportamiento del convertidor. Teniendo en cuenta el agresivo entorno en el que se desarrollará la conversión de la energía hidráulica a la energía eléctrica, es un requisito indispensable conocer con máxima precisión el comportamiento que tendrá el dispositivo definitivo, para realizar una estimación detallada de la energía que será posible generar. Este proyecto se centra en perfeccionar el proceso de simulación de la dinámica del convertidor. La mejora de las simulaciones repercutirá en una importante reducción de la actual exigencia de realizar continuas pruebas en canal hidrodinámico con la consiguiente reducción de costes y plazos. Para ello, como ya se ha indicado, se introducirá una novedosa Metodología Híbrida. Se emplearán simulaciones realizadas tanto con software basado en la Teoría del Flujo Potencial, como con las Ecuaciones de Navier-Stokes. El proceso de diseño contará con un análisis preliminar de las posibilidades de cada filosofía. Mediante la realización de multitud de simulaciones, se obtendrá un amplio banco de datos hidrodinámicos, que será combinado adecuadamente para obtener el procedimiento óptimo. En aras de posibilitar que el campo de aplicación sea lo más amplio posible, será vital basar los cálculos en un dispositivo cuya flexibilidad sea máxima, con un comportamiento fácilmente extrapolable a otros dispositivos. Por tanto, se presenta a continuación un análisis de los distintos WEC desarrollados en la actualidad, describiendo sus características y realizando una selección del más adecuado para el proyecto.
4.2 Alternativas de convertidor
Como ya se ha expuesto, la razón de ser de este proyecto es desarrollar una Metodología Híbrida que combine las ventajas de una y otra filosofía de resolución. En tanto en cuando la base de este proyecto reside precisamente en aunar ambos métodos de resolución de la forma más eficiente, y presentar una Metodología estandarizada de aplicación, es de vital importancia elegir el tipo de WEC que se empleará para demostrar la validez de la Metodología. A la hora de seleccionar el generador undimotriz se deberán tener en cuenta tres aspectos diferentes [7]:
Ubicación del convertidor. Principio de captación del convertidor. Tamaño y orientación del convertidor.
•Onshore •Nearshore •Offshore
•Puntual •Atenuador •Totalizador
Convertidores de Energía de las Olas
•Presión fluido •Cuerpo boyante •Otros
Figura 4.1 - Clasificación de Convertidores de Energía de las Olas
4.2.1 Ubicación del convertidor
En función de su ubicación, o distancia de los convertidores a la línea de costa, un WEC puede clasificarse en:
Onshore – Primera Generación: Están completamente integrados en estructuras fijas en costa. Las ventajas principales de estos dispositivos son los bajos costes de operación, mantenimiento e infraestructura eléctrica de la energía generada, además un mayor perfil de supervivencia. Por el contrario, el número de localizaciones potenciales se ve reducido por el bajo contenido energético de las olas y el alto impacto medioambiental. Son los menos numerosos
Nearshore – Segunda Generación: 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 instalación de sistemas de fondeo offshore. Aunque, en su contra, hay que destacar que pueden verse sometidos a cargas de diseño muy elevadas en condiciones extremales. El fondo marino modifica sustancialmente la hidrodinámica del dispositivo por sus efectos en el frente de ola.
Offshore – Tercera Generación: Son generadores que están ubicados en aguas relativamente profundas (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 energético en términos de valor del recurso energético. Hasta el momento su desarrollo se ha visto perjudicado y retrasado puesto que hacían uso de tecnologías poco fiables o de alto coste. En primer lugar, se necesitaba una alta fiabilidad a fin de evitar unos costes de mantenimiento prohibitivos.
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 transmisión de la energía eléctrica hasta tierra, son susceptibles de pérdidas importantes. Por lo tanto, la explotación offshore de la energía de las olas requiere de plantas instaladas de decenas de MW y formadas por un conjunto de varias unidades en línea. 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 - Clasificación de los WEC según su ubicación
4.2.2 Principio de captación del convertidor
En función de su principio de captación, un WEC puede clasificarse en:
Diferencia de presión en un fluido: En este tipo de dispositivos, se aprovecha la diferencia de presión 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 navegación. Existen dos tipos:  Efecto Arquímedes (AWS: Archimedes Wave Swing): Estos dispositivos se basan en la fluctuación de la presión estática debida a la oscilación del nivel de agua al paso de la ola. Se trata de una cámara de aire cerrada, cuyo volumen varía en función de la presión a la que se ve sometida. La parte inferior de la cámara está fijada al fondo, mientras la cubierta se desplaza verticalmente. El aire de la cámara actúa como un muelle cuya rigidez se ve modificada al bombear agua hacia el interior o exterior de la misma, variando así el volumen de la cámara.
Columna de agua oscilante (OWC: Oscillating Water Column): Consiste en una cámara 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 cámara para posteriormente salir al exterior a través de una turbina. Asimismo, al retirarse la ola, el aire fluye hacia el interior de la cámara accionando nuevamente la turbina. La turbina debe tener un diseño 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 tamaño es elevado, debido a las dimensiones de la cámara de aire. Por tanto, el coste de un único dispositivo de este tipo es importante.
Figura 4.2 - Convertidor de efecto Arquímedes (AWS)
Figura 4.3- Convertidor de columna de agua oscilante (OWC)
Cuerpos boyantes activados por el oleaje: Son dispositivos que están constituidos por un flotador que es movido por las olas. Por lo tanto, son principalmente de tipo offshore. La energía es extraída 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 combinación 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 más cuerpos. En base a este criterio, los cuerpos boyantes activados por el oleaje se pueden dividir en dos categorías:  Cuerpos boyantes con movimiento absoluto: Los convertidores que emplean una referencia fija son los más abundantes. Se suelen colocar varios dispositivos en línea formando un parque de energía undimotriz (wave farm). Los esfuerzos a los que se ve sometido el sistema de fondeo son considerables. Además, estos dispositivos son sensibles a los efectos de las mareas, y su instalación y mantenimiento es complejo.  Cuerpos boyantes con movimiento relativo: Los convertidores basados en el movimiento relativo no presentan los inconvenientes descritos en los dispositivos de referencia fija. No obstante, la dificultad reside en conseguir una referencia fija interna sin sufrir una pérdida 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 (péndulo, masa deslizante sobre guía, volante de inercia, etc.).
Figura 4.3 - Convertidor de tipo cuerpo boyante con movimiento absoluto
Figura 4.4 - Convertidor de tipo cuerpo boyante con movimiento relativo
Sistemas de impacto y/o rebosamiento: En estos dispositivos, las olas inciden en una estructura, consiguiendo un aumento de su energía cinética, energía potencial, o ambas. Existen dos principios diferentes en este tipo de dispositivos, tanto offshore como nearshore, en base al modo en el que la energía 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 actúa como medio de transferencia de energía. Estos dispositivos presentan el inconveniente de la baja absorción de energía, 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 depósito de almacenamiento de agua. Los convertidores que acumulan agua de las olas emplean algún tipo de concentrador (canal en parábola o cuña) para aumentar la altura de las olas. En estos casos, se aprovecha la diferencia de nivel existente entre el depósito y la superficie libre del mar. Normalmente, se hace pasar el agua a través de una turbina hidráulica de baja presión para generar energía eléctrica. Existen sistemas de rebosamiento tanto onshore como offshore. 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 mayoría de estos dispositivos son offshore, siendo, en cierto modo, una versión artificial de los dispositivos onshore.
Figura 4.5 - Convertidor de impacto
Figura 4.6 - Convertidor de rebosamiento
4.2.3 Tamaño y orientación del convertidor
En función de su tamaño y orientación los convertidores se pueden clasificar en:
Absorbedores puntuales: Son dispositivos pequeños en comparación con la longitud de la ola incidente. Suelen presentar una geometría cilíndrica (simetría axial) y, por lo tanto, su comportamiento es independiente de la dirección de la ola. Por norma general, se suelen colocar varios absorbedores puntuales formando una línea. Un aspecto característico de este tipo de convertidores es su capacidad de concentrar la energía sobre sí mismos, en lo que se conoce como efecto antena. Esta característica redunda en una alta relación entre la energía captada con respecto a su volumen estructural. Un dispositivo de este tipo tiene la capacidad de captar energía de un frente de ola mayor que el propio frente que opone. En condiciones ideales de funcionamiento, situación resonante en ola regular, presentan una anchura eficaz de captación cercana a un sexto de la longitud total del frente de ola. Sin embargo, en la práctica, con oleajes irregulares, el rendimiento de los absorbedores puntuales es muy inferior debido a la energía incidente que refleja. En la práctica se ha comprobado que apenas puede captarse una quinta parte de la energía incidente.
Atenuadores: También conocidos como absorbedores lineales, estas estructuras de forma esbelta van extrayendo energía de forma direccional y progresiva. Se colocan paralelos a la dirección de avance de las olas. Requieren menores esfuerzos de anclaje que los terminadores debido a la compensación de fuerzas a ambos lados de la estructura.
Además, están expuestos a daños menores y son capaces de captar energía por ambos lados de la estructura. Debido a su mayor tamaño en relación con la longitud de la ola predominante, los atenuadores presentan un mayor ancho de banda que los absorbedores puntuales. El efecto antena es también aprovechado por este tipo de dispositivos. Su capacidad de extracción de energía por unidad de peso del convertidor es mayor que la de los absorbedores puntuales.
Terminadores o totalizadores: Estos dispositivos están situados paralelamente al frente de ola (perpendiculares a la dirección del avance de la ola). A diferencia de los anteriores, tratan de captar la energía de la ola de una sola vez. En condiciones ideales, un dispositivo de este tipo no reflejaría ninguna energía y su aprovechamiento sería del 100%. Al presentar una gran superficie al frente de ola, su anchura eficaz de absorción 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 práctica, estos dispositivos tienen, evidentemente, una longitud finita. Por tanto, cuanto menor sea su longitud más semejante será su comportamiento al de los absorbedores puntuales.
Figura 4.7 - Clasificación de los convertidores en función de su tamaño y orientación
4.3 Criterio de selección del convertidor
El objetivo del proyecto es obtener una Metodología Híbrida para el análisis de computacional de convertidores de energía de las olas. Por tanto, será de vital importancia obtener un procedimiento estandarizado, versátil y flexible, para garantizar que pueda ser aplicado con exactitud al mayor número de WECs posible. Es, por tanto, imprescindible, dotar al proceso de una gran adaptabilidad, logrando así que todos los análisis contenidos en la Metodología sean fácilmente extrapolables. En base a esta premisa, deberemos abordar el proceso de determinación del convertidor existente en la actualidad que brinde la mayor aplicabilidad, permitiendo así 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 análisis presente una complejidad considerable e integre diversos fenómenos, de tal forma que los análisis de convertidores más sencillos puedan obtenerse como simplificaciones de los presentados en esta Metodología. Por todo lo citado, el criterio único para la selección del WEC que sea empleado como base del análisis computacional de la Metodología presentada es el siguiente: la capacidad de contener en su dinámica la mayor cantidad de componentes posible, a fin de poder considerar el estudio de dispositivos más simples como casos particulares del mismo.
4.4 Selección del convertidor
4.4.1 Ubicación del convertidor
Ya que la gran mayoría de los generadores undimotrices no están en la propia costa, sino en el mar, y que el hecho de emplear un dispositivo onshore reduciría notablemente la aplicabilidad del estudio por su excesiva particularidad, se descarta la posibilidad de emplear un dispositivo de este tipo. Adicionalmente, la práctica totalidad de los dispositivos onshore están basados en el principio de la columna de agua oscilante, por tanto, su aplicabilidad sería notablemente limitada. El análisis de la influencia del fondo marino es relativamente sencillo, ya que, teniendo en cuenta que el dispositivo no varía su emplazamiento en servicio, la longitud de onda de la ola incidente sería función de la distancia al fondo marino pero se mantendría constante durante el análisis. Por lo tanto, emplear un dispositivo nearshore no añadiría una utilidad adicional frente a uno offshore. Resumiendo: en lo relativo a la ubicación del convertidor, se utilizará indistintamente un dispositivo nearshore u offshore.
4.4.2 Principio de captación del convertidor
Los convertidores basados en la diferencia de presión de un fluido, tanto los de columna de agua oscilante (OWC) como los basados en el principio de Arquímedes (AWS), son un caso muy particular en el que el mecanismo de generación de energía de las olas está acoplado en mayor o menor medida a una macroestructura que reposa sobre el fondo marino. Por tanto, existe una menor correlación entre la conversión de energía y la hidrodinámica de la macroestructura. En concordancia con esto, será preferible basar los estudios hidrodinámicos en un dispositivo cuyos movimientos sean la base de la generación. Por tanto, lo ideal será tomar como base de la Metodología un cuerpo boyante activado por el oleaje, por su mayor aplicabilidad. En estos dispositivos, las olas inciden en su estructura, consiguiendo así aumento de su energía cinética, energía potencial, o ambas. Es por ello, que son WECs ideales para ser base de un análisis hidrodinámico por su generalidad. Idealmente, el dispositivo deberá tener una dinámica compleja, de dos grados de libertad predominantes, siendo los desarrollos fácilmente simplificables a dispositivos más 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 la rotura de la ola juega un papel determinante (en la actualidad apenas hay dispositivos en funcionamiento de estas características) y su análisis requiere un estudio ad hoc que ya está bastante desarrollado. Por este motivo, junto con la baja absorción de energía que presentan, se descarta el uso de rebosadores como base de los análisis hidrodinámicos de la Metodología.
Asimismo, los sistemas de impacto, amén de tener una filosofía de generación bastante particular, tienen un estudio hidrodinámico simple, con un único grado de libertad en la mayor parte de las configuraciones existentes, por lo que son desechados para este estudio por su falta de generalidad. Resumiendo: en lo relativo al principio de captación de convertidor, se utilizará un cuerpo boyante activado por el oleaje, con movimiento absoluto o relativo.
4.4.3 Tamaño y orientación del convertidor
Los absorbedores puntuales pueden considerarse un caso particular de los atenuadores, en los que su comportamiento hidrodinámico es independiente de la dirección de la ola incidente, por no tener ninguna dirección predominante. Adicionalmente, estos dispositivos suelen tener exclusivamente un grado de libertad: el desplazamiento vertical. Por tanto, el análisis de su comportamiento hidrodinámico es más sencillo que en el caso de los atenuadores. Los atenuadores, también conocidos como absorbedores lineales, tienen una dimensión predominante y su análisis presenta mayores dificultades. Generalmente, acompañando al cabeceo suele haber otras componentes no despreciables en su movimiento que contribuyen a la generación de energía y deben ser tenidas en cuenta. En base a ello, se preferirá basar el procedimiento en un atenuador frente a un absorbedor puntual, por su mayor generalidad. Ello permitirá realizar un estudio de mayor utilidad. Adicionalmente, la tecnología de generación undimotriz más avanzada de la actualidad, el Pelamis Wave Power [8], pertenece a esta categoría, y cada vez más proyectos se desarrollan bajo este enfoque, por lo que su empleo sería óptimo. Los terminadores o totalizadores, quedan reducidos en su mayor parte a generadores onshore, que son los menos habituales, por lo que su aplicabilidad sería reducida, motivo por el cual son descartados. Resumiendo: en lo relativo al tamaño y orientación del convertidor, se utilizará un dispositivo atenuador.
4.5 Descripción de la solución
4.5.1 Oceantec, de Tecnalia e Iberdrola
De entre todos los dispositivos posibles, el que mejor se adapta a las los criterios señalados anteriormente, por la versatilidad, flexibilidad y adaptabilidad de las que dotará al procedimiento es el convertidor de energía de las olas Oceantec, desarrollado por la empresa del mismo nombre, siendo ésta un spin-off de Tecnalia Research & Innovation, participada por Iberdrola [9].
Figura 4.8 - Convertidor Oceantec de Tecnalia
El generador undimotriz Oceantec de Tecnalia es un WEC de Tercera Generación (offshore), flotante, de movimiento relativo inercial basado en un volante de inercia, y atenuador. El fundamento de su sistema de generación de energía es el siguiente [10]:
La estructura flotante se somete a un movimiento de cabeceo periódico provocado por las olas. El sistema de fondeo permite que el convertidor siempre esté orientado en la dirección del oleaje. La principal ventaja es que el sistema captador está 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.
Figura 4.9 - Sistema giroscópico de generación de energía del Oceantec de Tecnalia
El flotador fue evaluado en el Laboratorio de Dinámica del Buque, del Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR), obteniendo multitud de datos experimentales que la Metodología deberá ser capaz de predecir.
Figura 4.10 - Modelo del Oceantec de Tecnalia analizado experimentalmente en el CEHIPAR
Para los ensayos en canal hidrodinámico se empleó un modelo a escala 1:15. Las características principales del flotador, tanto del prototipo como del modelo, son las indicadas a continuación en nomenclatura estandarizada naval:
Tabla 4-1 Características del modelo de Oceantec de Tecnalia
Para una correcta compresión de la hidrodinámica 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 común en los estudios hidrodinámicos mantener la nomenclatura anglosajona para los grados de libertad y así se mantendrá a lo largo de este proyecto. Se adjunta la nomenclatura propuesta en español:
Surge – desplazamiento en X: Avance Sway – desplazamiento en Y: Deriva Heave – desplazamiento en Z: Arfada Roll – rotación en X: Balanceo Pitch – rotación en Y: Cabeceo Yaw – rotación en Z: Guiñada
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 dirección 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 permitirá evaluar satisfactoria una Metodología fácilmente simplificable a dispositivos de menos grados de libertad, así como a dispositivos de algún 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 (rotación en el eje paralelo a la superficie: Y)
Por tanto, para el diseño de la Metodología Híbrida, se empleará el WEC Oceantec como base fundamental, proporcionando una base perfectamente generalizable a otros convertidores con una dinámica más simple, directamente particularizable de la obtenida para este generador. Se presenta a continuación una descripción del método empleado en la actualidad para la simulación computacional de la hidrodinámica de los WEC: la Teoría del Flujo Potencial aplicada al Método de los Elementos de Contorno.
4.5.2 Teoría del flujo potencial: Método de los Elementos de Contorno
El proceso actual de simulación consiste en aplicar software muy especializado en el comportamiento hidrodinámico 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 más flexibles [11]. Sin embargo, en estas herramientas específicas, con tiempos de simulación bajos, se debe recurrir a métodos que efectúan cálculos cuya precisión se ve reducida con la complejidad del flujo.
Figura 4.13 - WEC simulado con WAMIT
La Teoría del Flujo Potencial define todo campo de velocidades como el gradiente de una función escalar: el potencial de velocidad. Debido a que, por definición, el rotacional de un gradiente es siempre nulo, el campo de velocidades que describe al flujo potencial es irrotacional, siendo esto una aproximación correcta en múltiples aplicaciones.
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 ecuación de Laplace (ecuación en derivadas parciales) y por tanto es aplicable la Teoría del Flujo Potencial. El Método de los Elementos de Contorno (MEC) se obtiene mediante la discretización de una ecuación integral que es matemáticamente equivalente a la ecuación en derivadas parciales original.
Figura 4.14 - WEC simulado con Ansys AQWA Diffraction
La reformulación de la ecuación de Laplace, bajo la que se articula el Método de los Elementos de Contorno (MEC), se efectúa mediante el teorema de Green y consiste en una ecuación integral definida en el contorno del dominio y una integral que relaciona la solución en el contorno con la solución dentro de él.
La principal ventaja de este método frente al Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de los Volúmenes Finitos (MVF), estriba en que únicamente debe mallarse la superficie del dominio de la ecuación de Laplace, no siendo necesaria la discretización del dominio completo. Por tanto, se reduce la dimensión del problema pasando de 3D a 2D. Además, para simplificar aún más los cálculos, usualmente se implementa la teoría lineal del oleaje, de precisión limitada. Para representar olas más complejas se utiliza la superposición de olas lineales. Por todo esto, los métodos que se utilizan en la actualidad presentan unos resultados preliminares que deben ser profundamente contrastados y corregidos mediante pruebas en canal hidrodinámico. Además, las situaciones que presentan una mayor desviación con respecto a la realidad, (aquellas que tienen grandes vorticidades y turbulencias, no siendo válida la asunción de irrotacionalidad), son precisamente las que requieren un análisis pormenorizado. Los dos software más empleados en la actualidad para el análisis hidrodinámico de estructuras flotantes son ANSYS Aqwa Diffraction y WAMIT. Ambos están basados en el Método de los Elementos de Contorno (MEC) aplicado a la Teoría del Flujo Potencial.
4.5.3 Ecuaciones de Navier-Stokes: Método de los Volúmenes Finitos (MVF) y Método de los Elementos Finitos (MEF)
Existe otro enfoque diferenciado del anterior para abordar un problema hidrodinámico: realizar una modelización completa del fenómeno mediante la resolución íntegra de las ecuaciones más avanzadas que gobiernan el flujo: las Ecuaciones de Navier-Stokes. En la actualidad, no ha habido intentos de afrontar problemas hidrodinámicos marinos mediante el uso de herramientas estándares de CFD, por su enorme complejidad y grandes tiempos de simulación requeridos. Se estima que el tiempo computacional es de 5 órdenes de magnitud superior: inasumible. Las ecuaciones de Navier Stokes describen la dinámica de los fluidos basándose en la segunda ley de Newton, junto con la asunción de que la tensión en el fluido proviene de un término viscoso (proporcional al gradiente de la velocidad) y de un término de presión. Por tanto, a diferencia de en la Teoría del Flujo Potencial, se tiene en cuenta la viscosidad del fluido. A partir de la solución 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 características del mismo, como su fuerza de resistencia al avance, o su caudal. La resolución de las Ecuaciones de Navier-Stokes proporciona una solución muy precisa al comportamiento real del dispositivo, sin embargo su resolución presenta grandes dificultades y requiere de simplificaciones. Al igual que en la Teoría del Flujo Potencial, se considera el flujo incompresible e ideal. Sin embargo, este flujo es rotacional.
La resolución numérica 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 donde haya flujo turbulento.
Figura 4.15 - Calle de Torbellinos de Von-Kárman 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 fenómenos físicos más 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 métodos de turbulencia presenta particularidades, teniendo sus propias ventajas y desventajas.
El correcto conocimiento del fenómeno turbulento en problemas de superficie libre es uno de los mayores retos de la mecánica de fluidos. Saber determinar el modelo de turbulencia más adecuado para cada caso y la calibración del mismo es uno de los puntos críticos de toda simulación de CFD. Así como la Teoría del Flujo Potencial es implementada en el Método de los Elementos de Contorno (MEC), la base numérica en la que es implementan las ecuaciones de Navier Stokes es indistintamente el Método de los Volúmenes Finitos (MVF) y el Método de los Elementos Finitos (MEF).
Figura 4.16 - WEC simulado con Star-CCM+
Existe multitud de software comercial de CFD para la resolución 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).
El MVF es el más empleado en los códigos de CFD, ya que presenta ventajas en cuanto al uso de la memoria y a velocidad de resolución, especialmente en problemas de gran dominio y en aquellos con un número de Reynolds elevado. Las ecuaciones de estado (Ecuaciones de Navier-Stokes y ecuaciones de la turbulencia) son resueltas en una discretización espacial hecha previamente en forma de volúmenes de control. Esta discretización garantiza la conservación de las ecuaciones de estado a lo largo de todo el volumen de control. El MEF se emplea principalmente en análisis estructural de sólidos, pero también es perfectamente aplicable en mecánica de fluidos. Su formulación requiere prestar especial atención a la convergencia de la solución, sin embargo, la estabilidad de este método es mayor. Debe resaltarse que tiene unos requerimientos de memoria mayores con tiempos de resolución ligeramente superiores. En este método, se forma una ecuación de residuos ponderados que es resuelta en todos los elementos en los que se discretiza previamente el dominio.
4.5.4 Metodología Híbrida
Los pasos de la Metodología Híbrida, son brevemente descritos a continuación: 1. El PRIMER PASO consiste en la simulación de la hidrodinámica del WEC con la Teoría del Flujo Potencial. Empleando un software basado en el Método de los Elementos de Contorno (Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc), será posible obtener la hidrodinámica aproximada. 2. El SEGUNDO PASO consiste en la determinación del término viscoso con una geometría equivalente al WEC en flujo sumergido con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Empleando un software CFD basado en el Método de los Volúmenes Finitos (Star-CCM+ 7.0, de CDAdapco). 3. El TERCER PASO consiste en la simulación de la hidrodinámica del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Empleando un software CFD basado en el Método de los Volúmenes Finitos (Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco), será posible obtener la hidrodinámica precisa. 4. El CUARTO PASO consiste en el ajuste del término viscoso con la Ecuación de Morison. Empleando un software de análisis numérico con programación propia (Matlab 7.14, de MathWorks) para generar un modelo en el dominio del tiempo, será posible obtener la hidrodinámica modificada, combinando la hidrodinámica aproximada y la viscosidad del WEC. La Metodología Híbrida está completamente desarrollada en el Documento nº 2 - METODOLOGÍA En la página siguiente se muestra un Esquema de la Metodología Híbrida:
Eficacia Precisión Precisión Eficacia
• Hidrodinámica aproximada del WEC • Hidrodinámica precisa del WEC • Hidrodinámica modificada del WEC
Eficacia Precisión
• AQWA – Flujo Potencial (sin viscosidad) • Simulación de la hidrodinámica del WEC • CFD – Navier Stokes (con viscosidad) • Simulación del término viscoso del WEC • CFD – Navier Stokes (con viscosidad) • Simulación de la hidrodinámica del WEC • Matlab – Ecuación de Morison • Incorporación del efecto de la viscosidad
Figura 4.17 - Esquema de la Metodología Híbrida
5. ESPECIFICACIÓN DE NECESIDADES DE LA METODOLOGÍA
La Metodología Híbrida se empleará para la correcta predicción del comportamiento hidrodinámico de estructuras flotantes marinas. Mediante la sucesiva aplicación de los procedimientos rigurosamente descritos, la Metodología será capaz de proporcionar una ventaja competitiva frente al uso de herramientas computacionales basadas exclusivamente en la aplicación de la Teoría del Flujo Potencial. Para ello, una vez que se ha seleccionado el WEC Oceantec de Tecnalia, en el que está basada la Metodología, y definidos los componentes de la misma, se hace necesario acotar una serie de parámetros para la correcta caracterización de los distintos fenómenos físicos analizados con los procedimientos que se introducen en esta Metodología para la caracterización de WECs. En primer lugar, se requiere conocer las especificaciones de la determinación mediante simulación CFD del coeficiente de resistencia al avance, de una geometría equivalente, en flujo sumergido. Esta es una parte clave de la Metodología ya que el coeficiente de resistencia al avance obtenido en esta etapa será el que se empleará para incluir la influencia del efecto viscoso en la realidad. Por tanto, partiendo de la hidrodinámica aproximada, un coeficiente de resistencia al avance correctamente cuantificado permitirá obtener la hidrodinámica modificada por medio de una reformulación semi-empírica de la fórmula de Morison. Adicionalmente, será necesario conocer las especificaciones de la simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD.
Esta simulación presenta una dificultad muy elevada y apenas ha habido intentos en la actualidad de obtener resultados por este costoso método [11]. Sin embargo, una acotación estricta de las variables de la simulación, mediante la correcta definición de las especificaciones, permitirá extraer satisfactoriamente la hidrodinámica precisa, sirviendo para validar la aplicabilidad de Metodología presentada. Dada la gran complejidad del análisis computacional mediante CFD y la ingente cantidad de variables a determinar, los análisis llevados a cabo con esta técnica deben ser continuamente adaptados a las particularidades del caso particular objeto del estudio. Debe ser tenido en cuenta la inexistencia de datos bibliográficos acerca de los parámetros más adecuados por la ausencia de estudios previos. Debido a esto, es práctica habitual en la industria emplear especificaciones cualitativas cuando sea preciso, siendo estas cuantificadas en detalle durante la realización de las simulaciones. Debido al citado carácter precursor de la Metodología, se hace especialmente necesario hacer hincapié en la forma de efectuar la simulación en los casos en los que se emplean software CFD para la resolución de las Ecuaciones de Navier Stokes. Así, se reducirá en la medida de lo posible cualquier posibilidad de perturbación 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 experimentación previa realizada en el marco del Proyecto. La Metodología deberá satisfacer, como especificación de conjunto, los pasos y el esquema del apartado 4.5.4 Metodología Híbrida.
5.2 Especificación de la determinación del coeficiente de Drag con las Ecuaciones de NavierStokes en CFD
5.2.1 Bidimensionalidad
Debido a la semejanza dimensional existente entre el WEC y un cilindro, es común representar ese tipo de objetos mediante cilindros caracterizados por su ratio de esbeltez. El ratio de esbeltez se define como la relación entre la longitud principal (en este caso, en términos náuticos, la longitud entre perpendiculares) y el espesor (en este caso, el diámetro máximo). En base a esto, como el ratio de esbeltez del captador es 52/7,5, mayor que 5, se considerará un flujo transversal como representativo de la viscosidad generada. Y debido a esa esbeltez, con dos grados de libertad predominantes, se efectuará una modelización 2D del fenómeno físico, sin pérdida de generalidad.
5.2.2 Dominio computacional
El dominio computacional deberá ser capaz de representar la evolución del flujo correctamente, de tal forma que no modifique los resultados. Para ello, se tendrá en cuenta la aparición de la Calle de Vórtices de Von-Kárman bajo flujos turbulentos. Estos vórtices aparecen como consecuencia de los fenómenos de desprendimiento de la capa límite, variable en función de la turbulencia del flujo incidente. Para capturar correctamente estos vórtices, que tienen una influencia considerable en el coeficiente de resistencia del avance, se empleará un dominio computacional que evite los fenómenos de retroflujo y ratio de obstrucción. Una correcta definición de las condiciones de contorno ayudará a prevenir el fenómeno de retroflujo, como se indica a continuación. A nivel orientativo, se garantizará que el flujo está completamente desarrollado si la distancia del cilindro al contorno de entrada es de 10 diámetros, al contorno de salida es de 30 diámetros, y a las paredes superior e inferior es de 20 diámetros.
Figura 5.1 - Calle de Vórtices de Von Kárman
5.2.3 Condiciones de contorno
Se definirán distintas condiciones de contorno en las diferentes regiones del dominio.  Entrada del flujo: Velocity Inlet. Representa la entrada de un flujo de velocidad conocida en una región. Es de utilidad para simular flujos incompresibles, como en el caso que ocupa. Mediante la variación de la magnitud de este valor, se podrá regular la fase de turbulencia del flujo. Habrá 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 esté completamente desarrollado, según lo indicado en la especificación precedente, esta condición modelará adecuadamente el flujo en la zona posterior. Es de utilidad en flujos incompresibles. Es de especial importancia emplear esta condición de contorno y no Pressure Outlet, usualmente empleada, de forma errónea, para representar flujos incompresibles, puesto que sólo es aplicable en flujos compresibles. Adicionalmente, el empleo correcto de esta condición evitará la existencia de retroflujos.  Contornos superior e inferior: Wall - free slip. Representa una superficie impermeable. Al restringir numéricamente el deslizamiento, se consigue que los efectos de la fricción no afecten al flujo en las zonas cercanas al contorno. Si la distancia al cilindro es suficiente para que el flujo esté completamente desarrollado, cosa que queda garantizada según la especificación anterior, el flujo estará correctamente modelado.
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 regulará este incremento se detallará en el Modelado en el Entorno de la Pared. Deberá prestarse especial atención a la correcta definición de la rugosidad del cilindro.
Figura 5.2 - Esquema del dominio de definición y condiciones de contorno
5.2.4 Generación de la malla
Basándose en la amplia experiencia, se empleará una malla estructurada (trimmer). Empleando este método de generación, se generará una malla tridimensional del orden de 2.000.000 de elementos. Posteriormente, se degenerará a una malla bidimensional del orden de 80.000 elementos. Para optimizar el número de elementos, y que estos sean empleados con la máxima eficiencia se introducirán diversos controles volumétricos así como capas prismáticas 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 prismáticas en el entorno del cilindro
5.2.5 Discretización
La precisión global de la solución viene limitada por el componente de menor orden de la discretización. Por tanto, se empleará discretización con precisión de segundo orden tanto en el espacio como en el tiempo. Adicionalmente, se verificará que el paso temporal no afecte a la solución final. Para ello, se comprobará que el paso temporal esté adaptado a la malla generada apoyándose en el número adimensional de Strouhal (St) de la Calle de Torbellinos de Von-Kárman en el caso de flujos turbulentos.
5.2.6 Modelado del entorno de pared
Todos los objetos sólidos expuestos a un flujo incidente presentan una capa límite de fluido en las zonas en las que las fuerzas viscosas son predominantes. Las capas límites pueden ser laminares o turbulentas. El cálculo del número adimensional de Reynolds determinará si el flujo es laminar, transicional, o turbulento.
Figura 5.5 - Desprendimiento de la capa límite
El desprendimiento de la capa límite ocurre cuando se desplaza lo suficiente en contra de un gradiente de presiones adversas para que la velocidad relativa de la capa límite respecto del objeto se hace nula. El flujo se separa de la superficie del objeto y aparecen remolinos y vórtices.
Esto provoca una variación importante en el coeficiente de resistencia al avance, por lo que su correcta caracterización será la clave de la Metodología. Para ello, se hace necesario modelar el perfil de variación de velocidad del flujo en el entorno de la superficie del objeto. Podría pensarse en incrementar el número de elementos en el entorno de la superficie de tal forma que fuese posible capturar este fenómeno, pero el coste computacional lo haría extremadamente ineficiente. Sin embargo, se incorporarán fórmulas empíricas para representar el perfil logarítmico de la velocidad en el entorno de la superficie, mediante el parámetro adimensional y+, que representa la distancia a la superficie del cilindro.
5.2.7 Turbulencia
Hay muchas filosofías distintas para incorporar la turbulencia a un estudio computacional con CFD, teniendo un campo de aplicación diverso, con una eficacia y coste computacional muy variable. Existen multitud de estudios acerca del flujo sobre cilindros, siendo especialmente reseñables los realizados por M.M. Zdravkovich [14], predominantemente teóricos y experimentales. También existen diversos análisis computacionales hechos con mayor o menor profundidad, siendo el más destacable el de Kai Fan Liaw [15], sin embargo, se pretende en este proyecto aportar un avance en el campo de la determinación de los modelos de turbulencia más adecuados para la simulación de este fenómeno. Para ello, se realizará un estudio sobre los modelos de turbulencia RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), con el fin de determinar el modelo de turbulencia más adecuado en el caso objeto de estudio, para cada número adimensional de Reynolds. Este estudio, que es uno de los objetivos del proyecto, constituye un avance científico en la caracterización de los modelos de turbulencia RANS (k-ε, k-ω y RSM) más adecuados para la simulación computacional de flujos sobre cilindros en CFD, y es uno de los beneficios técnicos más importantes del mismo.
5.3 Especificación de la simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD
5.3.1 Dominio computacional
El dominio computacional deberá ser capaz de representar la evolución de la ola correctamente, de tal forma que la distancia a los contornos no modifique los resultados. Adicionalmente, dada la simetría de la geometría, y teniendo en cuenta que el WEC se orientará en el sentido de la ola incidente, se simulara exclusivamente la mitad del fenómeno, para lo que se incorporará un contorno de simetría, reduciendo en al menos un orden de magnitud el coste computacional. A nivel orientativo, se garantizará que el flujo está completamente desarrollado si la distancia del cilindro al contorno de entrada es de 10 diámetros, al contorno de salida es de 30 diámetros, y a las paredes superior e inferior es de 20 diámetros En este caso, a modo orientativo, y basado en experiencias previas, se garantizara que la ola está 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.
5.3.2 Condiciones de contorno
Se definirán distintas condiciones de contorno en las diferentes regiones del dominio [16].  Entrada del flujo: Velocity Inlet. Representa la entrada de un flujo de velocidad conocida en una región. Es de utilidad para simular flujos incompresibles, como en el caso que ocupa. En este caso, la velocidad no será un valor constante, sino que se impondrá que sea regulada por la funcionalidad VOF Waves, con las características del oleaje en función del tiempo, siendo la base de la generación de la ola a lo largo de la simulación. Para la especificación de la intensidad turbulenta en el contorno, en base a los parámetros k y épsilon, se emplearán valores acordes a los sugeridos en las guías ERCOFTAC [17].  Salida del flujo: Pressure Outlet. Representa la salida de un flujo. Es de vital importancia que la condición no tenga influencia en la situación aguas arriba. Al existir una importante concentración de remolinos asociados a la ola, imponer una condición demasiado restrictiva podría afectar al flujo, debiendo prestarse especial atención a la posibilidad de que exista retroflujo. En ese caso, la solución más recomendable será reducir el área del contorno de salida.  Contornos superior e inferior: Wall - free slip. Representa una superficie impermeable. Al restringir numéricamente el deslizamiento, se consigue que los efectos de la fricción no afecten al flujo en las zonas cercanas al contorno. Como la distancia al WEC es suficiente para que la ola no tenga una afección demasiado significativa por parte del sólido, cosa que queda garantizada según la especificación correctamente modelado. anterior, el flujo estará
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 regulará este incremento se detallará en el Modelado en el Entorno de la Pared. Deberá prestarse especial atención en la correcta definición de la rugosidad del WEC.
Contorno simétrico: Simmetry. Esta condición asume que los gradientes perpendiculares a la superficie son nulos.
Figura 5.6 - Mallado del WEC
5.3.3 Generación de la malla
La malla deberá ser lo suficientemente precisa para capturar todas las particularidades del flujo. La precisión de la simulación aumentará con el número de elementos, es decir, aumentará al reducir el tamaño de los elementos. Sin embargo, un número demasiado elevado de elementos (por encima de 2.000.000 de elementos para un único equipo informático con los mejores componentes de comercialización estándar existentes en la actualidad) causará una bajada en el rendimiento de tal magnitud que se reducirá la aplicabilidad del método. Por todo ello, un empleo eficiente del número de elementos se hace imprescindible. Debido a esto, al igual que se ha especificado en las especificaciones de la determinación mediante simulación CFD del coeficiente de resistencia al avance, se hace necesario incorporar diversos controles volumétricos así como capas prismáticas en la superficie del cilindro. El modelo de generación empleado será estructurado (trimmer), del orden de 100.000 elementos, teniendo en cuenta las siguientes particularidades:  Evitar el empleo de subzonas tetraédricas en la capa límite por no ser adecuadas a flujos con una dirección muy predominante. Alta precisión en los contornos al implementar condiciones periódicas. Emplear relaciones de aspecto (el ratio entre las dimensiones principales de cada elemento) inferiores a 20, existiendo la posibilidad de sobrepasar ligeramente esta relación en los bordes.
5.3.4 Discretización
La precisión global de la solución viene limitada por el componente de menor orden de la discretización. Por tanto, se empleará discretización con precisión de primer orden (Euler Regresivo) tanto en el espacio como en el tiempo. Adicionalmente, se verificará que el paso temporal no afecte a la solución final. Para ello, se comprobará que el paso temporal esté adaptado a la malla generada apoyándose en la frecuencia de la ola incidente. Para ello, se empleará un paso temporal de 0.005 segundos, que corresponde a una frecuencia de simulación de 200 Hz.
5.3.5 Modelado del entorno de pared
La dificultad de la definición del perfil de presiones y velocidades en el entorno de la pared no se resuelve explícitamente mediante el modelo numérico, sino que se obtiene mediante el empleo de funciones de pared. Para construir estas funciones, la región cercana a la pared se caracteriza por medio de variables adimensionales relacionadas con las condiciones del flujo en el contorno. Se define el parámetro adimensional y+ de las celdas en función de la densidad, velocidad, viscosidad y esfuerzo cortante. Este parámetro adimensional sirve para caracterizar el flujo en las proximidades del contorno. Se deberá acotar el valor de y+ entre 30 y 100. De la correcta determinación de estos parámetros adimensionales dependerá la precisión del término viscoso obtenido, así que su completo entendimiento será vital para una satisfactoria predicción de la influencia de la viscosidad en la hidrodinámica del WEC.
5.3.6 Turbulencia
Como ya se ha indicado en las especificaciones de la determinación mediante simulación CFD del coeficiente de resistencia al avance, existen multitud de modelos de turbulencia. Tras más de un siglo de un intensiva investigación tanto teórica como experimental, se ha llegado a la conclusión de que ningún modelo de turbulencia aplicable en la actualidad puede englobar todos los aspectos de la turbulencia y que no existe un modelo universal que sirva para todos los casos. Asimismo, la determinación del modelo más adecuado es una ardua tarea que en la mayor parte de los casos carece de sentido. En análisis de superficie libre, como el que nos ocupa, el error que podría introducir el modelo de turbulencia es prácticamente (y matemáticamente) despreciable. El modelo de turbulencia sólo es relevante una vez que el resto de fuentes de error (y en particular los errores numéricos y de convergencia) han sido acotados adecuadamente. Por eso mismo, se introducen en la parte final de este capítulo de especificaciones una serie de importantes comentarios sobre los métodos de convergencia de malla que se realizarán. Con carácter general, se empleará el modelo de turbulencia RANS K-ε, por presentar el mejor compromiso entre eficacia, robustez y coste computacional. Existe la posibilidad de emplear el modelo de turbulencia RANS K-ω, con la adaptación propuesta por Menter, pero su menor robustez descarta inicialmente esta opción. En el proyecto definitivo se incluirán detalles precisos sobre este fenómeno.
5.3.7 Interfase
Para la caracterización de la superficie libre se utilizará un método de captura de interfase, que resuelve los parámetros turbulentos RANS en una malla predefinida que abarca el conjunto del dominio. De todos los métodos de captura de interfase existentes, se empleará el método VOF para el modelado de la interfase (del inglés: Volume of Fluid). Este método se basa en la asunción de que ambas fases forman parte de un único fluido. Posteriormente, se asigna a cada elemento el valor 0 ó 1 en función de si está en una fase o en otra. La superficie libre vendrá definida por los elementos que hagan de frontera. La asignación de los valores vendrá dada por la física particular. En el caso que ocupa este análisis, dicha asignación será hecha por la ola, en su propagación en forma de onda. Eso se conseguirá mediante la activación de una funcionalidad (VOF of Waves) que permita generar la condición de oleaje a lo largo del dominio en base a las características de la ola que se desee simular.
5.3.8 Modelo de ola
Las olas que incidirán sobre el WEC, será caracterizadas mediante la función VOF of Waves, que regulará en todo momento las distintas condiciones de contorno así como la interfase agua-aire. Para definir las olas existen distintas teorías de oleaje:     Teoría de Stokes Teoría de Airy (formulación de primer orden de la Teoría de Stokes) Teoría de Olas Cnoidales Teoría de Olas Solitarias
Figura 5.7 - Rangos de aplicabilidad de las distintas teorías de oleaje
En base a las características del oleaje donde opera el WEC a analizar (así como la mayor parte de los convertidores offshore), la Teoría de Airy será la más adecuada para definir el flujo. Además, podrá emplearse la aproximación de aguas profundas ya que la relación entre la profundidad y la longitud de onda de la ola es mayor que 0,5 [18]. Por tanto, se simulará empleando la Teoría de Airy para aguas profundas.
5.4 Otras especificaciones
5.4.1 Limitación de fuentes de error
En la realización de todas las simulaciones deberá hacerse un chequeo de siete posibles fuentes de error:        Errores en el modelo e incertidumbres Errores de discretización Errores de convergencia Errores de redondeo Incertidumbres en la aplicación Errores de usuario Errores en el código computacional
5.4.2 Convergencia de malla
Para poder cuantificar con rigor los resultados obtenidos en una simulación computacional, deberá comprobarse la independencia del tamaño de la malla en los resultados. Es decir, deberá asegurarse que los resultados no sufrirían una variación apreciable (o que ésta estaría en los márgenes aceptados para cada variable cuantificada) en el caso de aumentar la precisión de la malla. Para garantizar la convergencia espacial, se realizará un minucioso análisis mediante el método del Índice de Convergencia de Malla (GCI, del inglés: Grid Convergence Index), desarrollado por P.J. Roache [19]. Este método está basado en la obtención de un GCI en base a una triada de resultados para distintas precisiones de malla. Esto ayudará a resolver el recurrente problema de determinar cuál es la precisión de malla adecuada. Mediante un procedimiento estandarizado, e independiente del tamaño de la malla en términos absolutos, se relacionarán los resultados de los refinamientos a los esperados de un aumento en la precisión del mallado usando un método numérico de segundo orden, basándose en la extrapolación de Richardson.
Figura 5.8 - Ejemplo de aplicación de la extrapolación de Richardson
6. RESUMEN DE LA METODOLOGÍA
o 1 - Simulación del WEC con la Teoría del Flujo Potencial en MEC: obtención de la hidrodinámica aproximada El primer paso consistirá en simular el convertidor bajo la Teoría del Flujo Potencial en el Método de los Elementos de Contorno, de la forma que se hace actualmente en la industria. Se empleará el software Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc. Programa de análisis de estructuras marinas basado en la Teoría del Flujo Potencial y el Método de los Elementos de Contorno (MEC). De esta forma, se obtendrá la hidrodinámica aproximada del WEC de una forma rápida y eficiente. o 2 - Determinación del término viscoso de una geometría equivalente en flujo sumergido con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD El segundo paso consistirá en determinar el término viscoso de una geometría equivalente (un cilindro en el caso del Oceantec de Tecnalia). Se empleará el Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de mecánica de fluidos computacional basado en las Ecuaciones de NavierStokes y el Método de los Volúmenes Finitos (MVF). Mediante este procedimiento se obtendrá el Coeficiente de Resistencia al Avance del flujo sumergido, como indicador del efecto de la viscosidad.
o 3 - Simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes en CFD: obtención de la hidrodinámica precisa El tercer paso consistirá en simular el convertidor bajo las Ecuaciones de Navier-Stokes en el Método de los Volúmenes Finitos, siendo un procedimiento muy costoso. Se empleará el Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de mecánica de fluidos computacional basado en las Ecuaciones de NavierStokes y el Método de los Volúmenes Finitos (MVF). Con esta simulación se obtendrá, con un gran coste computacional, la hidrodinámica precisa del WEC, siendo el mejor resultado que podrá obtenerse de forma computacional. o 4 - Ajuste del término viscoso con la Ecuación de Morison y generación en Matlab de un modelo en el dominio del tiempo: obtención de la hidrodinámica modificada El cuarto paso consistirá en determinar el procedimiento más adecuado con el que poder obtener la hidrodinámica modificada. Partiendo de la ecuación de Morison, se ajustará de tal forma que se pueda incluir el Coeficiente de Resistencia al Avance en la hidrodinámica aproximada. Una vez establecida la base teórica, se aplicará la ecuación de Morison de la forma definida en el paso anterior para ajustar la hidrodinámica aproximada. Se empleará el software Matlab 7.14, de MathWorks. Programa de análisis numérico con lenguaje propio de programación integrado. Hibridando ambas aportaciones en un modelo en este programa, la Metodología será capaz de proporcionar la hidrodinámica modificada.
• Hidrodinámica precisa del WEC • Hidrodinámica modificada del WEC
• Hidrodinámica aproximada del WEC
Figura 6.1 - Resumen de la Metodología
7. PLAN DEL PROYECTO
7.1 Fases
7.1.1 FASE 1. Análisis de la teoría hidrodinámica marina
Se realizará un análisis en profundidad de la teoría hidrodinámica marina con el fin de determinar el modelado más adecuado para el tratamiento del fenómeno hidrodinámico. Se realizará un informe completo que constará de las siguientes partes:
Flujo potencial Flujo real Olas superficiales oceánicas Dinámica del sólido rígido Coeficientes potenciales Estructuras flotantes marinas Fuerza del oleaje en cilindros esbeltos
Director del Proyecto (2 horas) Ingeniero Senior (8 horas) Ingeniero Júnior (40 horas) Equipo informático básico
7.1.2 FASE 2. Análisis de los métodos numéricos para la simulación hidrodinámica marina
Se realizará un análisis en profundidad de los distintos métodos de modelización de la hidrodinámica para evaluar las ventajas y aplicaciones de cada uno de ellos y su utilidad para la Metodología Híbrida aquí presentada. Se realizará un informe completo, que describirá los siguientes métodos:
Analítico Ecuación de Morison Teoría del flujo potencial en el dominio de la frecuencia Teoría del flujo potencial en el dominio del tiempo Ecuaciones de Navier-Stokes
En el informe, se analizará la idoneidad de cada método a la hora de describir los siguientes fenómenos:
Efecto de la viscosidad Interacción ola-cuerpo flotante Rotura de la ola Precisión general Precisión en el entorno de la resonancia
7.1.3 FASE 3. Simulación del WEC con la Teoría del Flujo Potencial
Partiendo de un conocimiento amplio de las simulaciones computacionales, fruto de la experiencia, se realizará un análisis pormenorizado de la dinámica del captador con la Teoría del Flujo Potencial. Se generará la geometría del WEC seleccionado y se mallará para su posterior análisis. Mediante el uso de software comercial se obtendrán las RAOs (del inglés: Response Amplitude Operator) así como los coeficientes hidrodinámicos obtenidos para distintos tipos de olas y espectros. Recursos humanos: Director del Proyecto (4 horas) Ingeniero Senior (16 horas) Ingeniero Júnior (80 horas) Recursos materiales: Equipo informático de altas prestaciones Software Ansys AQWA Diffraction v12 Software Tdyn v12 + SeaFEM v1.0 Literatura técnica avanzada
7.1.4 FASE 4. Análisis de la resistencia al avance y los modelos de turbulencia con las Ecuaciones de Navier-Stokes
Partiendo de un conocimiento amplio de las simulaciones computacionales, fruto de la experiencia, se realizará un completo análisis de los modelos de turbulencia y de la viscosidad para estructuras flotantes, con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Basándose en el WEC seleccionado, se generará un dominio formado por un cilindro que estará sumergido en corriente transversal constante. Se presentará la evolución de coeficiente de resistencia al avance en flujo sumergido en función del número de Reynolds. El análisis se realizará para los siguientes modelos de turbulencia:
Laminar K-ε K-ω Reynolds Stress Model
Se obtendrán las características más adecuadas para la simulación del WEC para emplearlas en la fase siguiente. Recursos humanos: Director del Proyecto (8 horas) Ingeniero Senior (36 horas) Ingeniero Júnior (180 horas) Equipo informático de altas prestaciones Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco Literatura técnica avanzada
7.1.5 FASE 5. Simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes y diseño del criterio de parada
Partiendo de un conocimiento amplio de las simulaciones computacionales, fruto de la experiencia, se realizará un análisis pormenorizado de la dinámica del captador con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Aplicando los resultados obtenidos en la fase previa, y mediante el uso de software comercial, se diseñará un procedimiento computacional para el análisis de estructuras flotantes. En base a los análisis realizados, se desarrollará un best practice guideline para el diseño computacional de WECs mediante el uso de software CFD. Se presentará el método más adecuado para la correcta discretización espacial y se obtendrán las RAOs, así como la presión media sobre la superficie para un rango de frecuencia de oleaje. Se diseñará un innovador método numérico de convergencia para el posterior análisis espectral mediante la transformada de Fourier. Recursos humanos: Director del Proyecto (16 horas) Ingeniero Senior (64 horas) Ingeniero Júnior (320 horas) Equipo informático de altas prestaciones Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco Software Tdyn v12 + SeaFEM v1.0 Literatura técnica avanzada
7.1.6 FASE 6. Análisis de la ecuación de Morison
Se realizará un estudio pormenorizado de la ecuación de Morison, como forma de integrar los componentes inerciales y viscosos bajo un único prisma. Se analizarán los métodos más adecuados para la obtención de los coeficientes hidrodinámicos y su relación con los números adimensionales de Keulegan-Carpenter y Reynolds. Recursos humanos: Director del Proyecto (2 horas) Ingeniero Senior (8 horas) Ingeniero Júnior (40 horas) Literatura técnica avanzada
Recursos materiales: Duración: 1 semana
7.1.7 FASE 7. Generación del modelo híbrido en Matlab y calibración de la influencia del término viscoso
Partiendo de modelos existentes en Matlab, se adaptará un código capaz de integrar coeficientes hidrodinámicos extraídos de un software basado en la Teoría del Flujo Potencial y coeficientes viscosos obtenidos de un software basado en las Ecuaciones de Navier-Stokes. Se realizará la calibración de la influencia del término viscoso mediante los resultados obtenidos para distintas configuraciones. Recursos humanos: Director del Proyecto (4 horas) Ingeniero Senior (16 horas) Ingeniero Júnior (80 horas) Software Matlab 7.14 Literatura técnica avanzada
7.1.8 FASE 8. experimentales
Se contrastarán los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas con los obtenidos en las pruebas realizadas en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR). Se realizará un estudio de los armónicos para los siguientes grados de libertad:
Pitch (Cabeceo: rotación alrededor del eje transversal al WEC) Heave (Arfada: desplazamiento en el eje perpendicular a la superficie)
Se analizara la precisión de los modelos anteriormente definidos en cuanto a la obtención de las RAOs Se efectuarán los ajustes necesarios y se procederá a la validación del método. Recursos humanos: Director del Proyecto (2 horas) Ingeniero Senior (8 horas) Ingeniero Júnior (40 horas) Literatura técnica avanzada
7.1.9 FASE 9. Diseño e implantación de la Metodología Híbrida
Partiendo de todos los datos obtenidos en las fases anteriores, se procederá a la compilación definitiva de la Metodología Híbrida para el análisis de convertidores de energías de las olas. Se realizarán las presentaciones oportunas y se redactarán los informes técnicos derivados del proyecto así como las guías ilustrativas que resulten necesarias para el usuario final. Recursos humanos: Director del Proyecto (8 horas) Ingeniero Senior (32 horas) Ingeniero Júnior (160 horas) Literatura técnica avanzada
Recursos materiales: Duración: 4 semanas
7.2 Duración total
La duración total del proyecto es de 24 semanas.
7.3 Reuniones de proyecto
Reunión de equipo de proyecto:
Participantes: Director de Proyecto, Ingeniero Senior, Ingeniero Júnior. Fecha: El primer día laborable de cada semana Asunto: Se informará al Director de Proyecto de los avances realizados y, en base a ello, se establecerá un plan de acción semanal. A la finalización de cada fase, se redactará un informe interno con el estado del proyecto. Duración estimada: 1 hora.
Reuniones técnicas:
Participantes: Ingeniero Senior, Ingeniero Júnior. Fecha: El primer día laborable de cada semana(a la conclusión de la reunión de equipo de proyecto), así como un día intermedio. Asunto: Se discutirán los resultados obtenidos, se pormenizará el calendario semanal y se resolverán las dificultades surgidas. Duración estimada: 2 horas.
7.4 Hitos
Tabla 6-1 Hitos
Nº Primero Segundo Tercero Cuarto
Hito Simulación del WEC con la Teoría del Flujo Potencial realizada Análisis particulares con las Ecuaciones de Navier-Stokes realizados Simulación del WEC con las Ecuaciones de Navier-Stokes realizada Compilación de la Metodología Híbrida realizada: proyecto aceptado
Fecha Fin semana 4 Fin semana 8 Fin semana 16 Fin semana 24
7.5 Diagrama de Gantt
Tabla 6-2 Diagrama de Gantt
8.1 Recursos Humanos
Es la persona que tiene la responsabilidad total del planeamiento y la ejecución acertada del proyecto. Es el encargado de tomar todas las acciones necesarias para contribuir al correcto desarrollo del proyecto. Su tarea más importante será reconocer los riesgos que afecten directamente a las probabilidades de éxito del proyecto así como la observación constante de ese riesgo a lo largo del ciclo de vida del proyecto. Con una política de comunicación abierta, se asegurará de que cada miembro del equipo conozca en todo momento su labor. Deberá ser un titulado superior en una disciplina técnica, con más de 10 años de experiencia en la dirección de proyectos relacionados con el medio marino. Dedicación al proyecto: 48 horas (2 horas semanales)
Es la persona encargada del desarrollo técnico del proyecto y de la formación del Ingeniero Júnior. Empleando su experiencia, su tarea más importante será definir los pasos a seguir para la consecución de los objetivos más inmediatos, proporcionando apoyo técnico al Ingeniero Júnior, así como la supervisión de sus informes. Es el responsable de cumplir los plazos semanales, resolviendo las posibles dificultades técnicas que pudieran aparecer durante las simulaciones.
Es el encargado de la formación del Ingeniero Júnior, guiando sus simulaciones y los cálculos derivados. Deberá ser un Ingeniero Industrial con al menos 5 años de experiencia en proyectos relacionados con el análisis computacional de estructuras marinas. Dedicación al proyecto: 192 horas (8 horas semanales)
Ingeniero Júnior:
Es la persona encargada de realizar las simulaciones computacionales y cálculos numéricos derivados. Su tarea más importante consistirá en emplear los distintos software puestos a su disposición para realizar el pre-procesado, procesado y post-procesado de todos los modelos incluidos en la Metodología. Asimismo, realizará todos los informes requeridos a lo largo del proceso, documentando todos los pasos llevados a cabo para la obtención de los resultados obtenidos. También, llevará a cabo todos los análisis preliminares necesarios, empleando para ello tanta documentación como sea precisa. Recibirá asesoramiento técnico del Ingeniero Senior durante el desarrollo del proyecto. Deberá ser un Ingeniero Industrial con una sólida formación académica. Con gran independencia, intuición, adaptabilidad y capacidad de análisis, deberá hacer frente a las dificultades proporcionando eficientes soluciones para las mismas. Dedicación al proyecto: 960 horas (40 horas semanales)
8.2 Recursos Materiales
Equipo informático de altas prestaciones. Procesador Intel Xeon 7000 de 4 núcleos. 20 Gb de memoria RAM. Software Star-CCM+ 7.0, de CD-Adapco. Programa de mecánica de fluidos computacional basado en las Ecuaciones de Navier-Stokes y el Método de los Volúmenes Finitos (MVF).
Software Ansys AQWA Diffraction v12, de Ansys Inc. Programa de análisis de estructuras marinas basado en la Teoría del Flujo Potencial y el Método de los Elementos de Contorno (MEC). Software Tdyn v12 + SeaFEM v1.0, de Compass. Programa integral de mecánica de fluidos computacional y análisis de estructuras marinas basado en el Método de los Elementos Finitos (MEF).
Software Matlab 7.14, de MathWorks. Programa de análisis numérico con lenguaje propio de programación integrado. Literatura técnica avanzada. En el ámbito de mecánica de fluidos, energías marinas, software de mecánica de fluidos computacional, métodos numéricos, energías renovables e ingeniería mecánica en general.
9. RESUMEN DEL PRESUPUESTO
Tabla 7-1 Presupuesto
Concepto MANO DE OBRA MATERIALES SUBCONTRATACIÓN MANO DE OBRA + MATERIALES Imprevistos (5%) TOTAL IVA (21%) PRESUPUESTO TOTAL
Precio (€) 47.520,00 33.500,00
81.020,00 4.051,00 85.071,00 17.864,91 102.935,91
El presupuesto para la ejecución del Proyecto “Metodología Híbrida para el análisis de convertidores de energía de las olas” asciende a la cantidad de ciento dos mil novecientos treinta y cinco euros con noventa y un céntimos. En Bilbao, 26 de junio de 2013
Fdo.: Julen García Ibáñez
10. RIESGOS DEL PROYECTO
Se identifica un riesgo relevante asociado a este proyecto. Dada la gran cantidad de variables a tener en cuenta en las simulaciones computacionales que forman el núcleo de la Metodología, existe la posibilidad de que algún error pudiera aparecer en las validaciones llevadas a cabo, perturbando así en cierta medida los resultados obtenidos y comprometiendo la corrección de la Metodología. Para limitar al máximo esta posibilidad, se introduce en el proyecto un plan de contingencia basado en la acotación de las posibles incertidumbres que pudieran acaecer en el desarrollo de las simulaciones asociadas al mismo. Por tanto, en la realización de todas las simulaciones deberá hacerse un chequeo de siete posibles fuentes de error:        Errores en el modelo e incertidumbres Errores de discretización Errores de convergencia Errores de redondeo Incertidumbres en la aplicación Errores de usuario Errores en el código computacional
Con estas medidas, se reducirán al máximo las posibilidades de alteraciones en los resultados, garantizando la corrección de la Metodología.
[1] REN21 Steering Comitee; “Renewables 2011: Global Status Report”. 2011. [2] United Nations Division for Sustainable Development; “Indicators of Sustainable Development: Guidelines and Methodologies”. 2007. [3] Ricci P., Rico A., Ruiz-Minguela P., Boscolo F., Villate J.L.; “A Methodology for the Global Evaluation of Wave Energy Array Performance”. 2012. [4] [5] [6] [7] Falnes J.; “A review of wave-energy extraction”. 2007. Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo: www.cehipar.es. Ministerio de Defensa de España; BOE núm. 37 de 12.02.2001. 2001. Rodríguez R., Ricci P., Marón A., Prieto M.E., Fernández D., Taboada M.; “Diseño y ensayos del sistema de fondeo de un convertidor de energía de las olas”. 2012. [8] Pelamis Wave Power Ltd.; “World’s First Commercial Wave Power Project goes live”. 2008. [9] Oceantec: www.oceantecenergy.com.
[10] Tecnalia Research & Innovation; “Oceantec: Desarrollo tecnológico de un sistema de aprovechamiento de la energía de las olas”. 2007. [11] Li Y., Yu Y.; “A Synthesis of Numerical Methods for Modelling Wave Energy Converter-Point Absorbers”. 2012. [12] Bhinder M.A., Babarit A., Gentaz L., Ferrant P.; “Assessment of Viscous Damping via 3D-CFD Modelling of a Floating Wave Energy
Device”. The 9th European Wave and Tidal Energy Conference Series. Southampton. 2011. [13] García J., Ricci P., Peña A., Touzón I.; “Computational analysis of viscous and effects on floating and submerged bodies”. Congress on Numerical Methods in Engineering. Bilbao. 2013. [14] Zdravkovich M.M.; “Flow Around Circular Cylinders”. Oxford. 1997 [15] Liaw K.F.; “Simulation of Flow around Bluff Bodies and Bridge Deck Sections using CFD”. Nottingham. 2005 [16] WS Atkins Consultants, NSC; “Best Practice Guidelines for Marine Applications of Computational Fluid Dynamics”. 2012 [17] ERCOFTAC; Best Practices Guidelines [18] Delft University of Technology; “Offshore Hydromechanics”. 2001 [19] Roache P.J.; “Verification and Validation in Computational Science and Engineering”. Albuquerque. 1998
Leer más sobre este usuarioSkip carouselGarcía J.,2013_3-BUDGETGarcía J.,2013_2-METHODOLOGY
Sign up to vote on this titleUsefulNot usefulGarcía J.,2013_1-SUMMARY por Julen García Ibáñez0.0 (0)InsertarDescargaLeer en Scribd móvil: iPhone, iPad y Android.Copyright: Attribution Non-Commercial (BY-NC)Download as PDF, TXT or read online from ScribdFlag for inappropriate contentMás informaciónMostrar menos

References: resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución 
 resolución