Flow-body interaction, self-induced resonant vibrations by vortex shedding on a bladeless wind turbine of materials with high electromechanical couplinginteracción

Abstract

[ES] En el siguiente trabajo ha sido realizado un análisis teórico del aerogenerador sin aspas inventado recientemente por Vortex Bladeless S.L. La aerodinámica y vibraciones mecánicas en él son estudiadas, así como la función de los materiales con alto acoplamiento electromecánico en este dispositivo. El aerogenerador estudiado funciona gracias a vibraciones resonantes auto-excitadas por la calle de vórtices desarrollada aguas abajo de la estructura. La energía aeroelástica absorbida es transformada en energía eléctrica a través de los materiales con alto acoplamiento electromecánico con los cuales está construida la estructura. El estudio comienza con la generación inicial de vórtices en el caso estacionario. La calle de vórtices y las fuerzas del fluido sobre un cilindro son analizadas y se ha realizado también un símil entre el aerogenerador y el flujo alrededor de edificios altos. La literatura disponible sobre el número de Strouhal en aerogeneradores es revisada y también observamos la importancia del perfil vertical de viento en nuestro análisis. Seguidamente, se estudia la interacción entre la vibración de un cilindro y la calle de vórtices generada tras él. El desarrollo de los vórtices cambia y con ello, las fuerzas del fluido sobre la estructura. Analizamos el efecto de la resonancia y la consecuente inestabilidad aeroelástica, el flameo, que es el efecto buscado en el aerogenerador estudiado para maximizar la absorción de energía. Para finalizar el proceso, se transforma la energía mecánica de la oscilación de la estructura en energía eléctrica a través de los materiales con alto acoplamiento electromecánico de la estructura. Se analiza por último otra función de estos materiales en el aerogenerador, la modulación de la frecuencia natural de la estructura por medio de la entrada de voltaje elegida. Finalmente, se ha realizado una introducción del software FSI, cuya función es realizar análisis computacionales en problemas de interacción fluido-estructura. Estos problemas aparecen en numerosas aplicaciones de la ingeniería y la arquitectura.

[EN] A theoretical analysis of the bladeless wind turbine, recently invented by Vortex Bladeless S.L., is presented. The aerodynamics and vibrations involved are studied, as well as the function of materials with high electromechanical coupling on this device. The wind turbine studied works thanks to resonant vibrations self-excited by the vortex street developed downwash the structure. The aeroelastic energy absorbed is transformed into electrical energy due to the high electromechanical coupling of the materials the structure is built with. The study begins with the initial vortex generation on the stationary case. The vortex street and the fluid forces on a cylinder are analysed and a simile of the device and the flow around tall buildings is made. The literature available about the Strouhal number on wind turbines is revised and the importance of the wind gradient in wind engineering is also observed. Then the interaction between the vibration of a cylinder and the vortex street generated is studied. The vortices development changes and with that, the fluid forces over the structure too. We study the resonance effect and with it, the aeroelastic instability, flutter, which is the objective of the device in order to maximize the energy absorption. To finish the process, the transformation of the mechanical energy from the oscillation into usable electrical energy is performed through the high electromechanical coupling of the materials of the structure. This function of the materials, and the modulation of the natural frequency of the structure by modifying the voltage input are analysed. Finally, an introduction of the basis of a software (FSI) to perform computational analysis of fluid-structure interaction problems is presented, as these problems are shown in many engineering and architecture applications.