Ingeniería eólica

Estudio de los efectos del viento en los entornos naturales y construidos

Visualización del flujo de los contornos de la velocidad del viento alrededor de una casa

La ingeniería eólica cubre los efectos aerodinámicos de los edificios.

Aerogeneradores dañados por el huracán María

La ingeniería eólica es un subconjunto de la ingeniería mecánica , la ingeniería estructural , la meteorología y la física aplicada que analiza los efectos del viento en el entorno natural y construido y estudia los posibles daños, inconvenientes o beneficios que pueden resultar del viento. En el campo de la ingeniería, incluye vientos fuertes, que pueden causar molestias, así como vientos extremos, como en un tornado , huracán o tormenta fuerte , que pueden causar una destrucción generalizada. En los campos de la energía eólica y la contaminación del aire , también incluye vientos bajos y moderados, ya que son relevantes para la producción de electricidad y la dispersión de contaminantes.

La ingeniería eólica se basa en la meteorología , la dinámica de fluidos , la mecánica , los sistemas de información geográfica y una serie de disciplinas de ingeniería especializadas, incluidas la aerodinámica y la dinámica estructural . ^[1] Las herramientas utilizadas incluyen modelos atmosféricos , túneles de viento de capa límite atmosférica y modelos de dinámica de fluidos computacional .

La ingeniería eólica implica, entre otros temas:

• Impacto del viento en estructuras (edificios, puentes, torres)
• Confort del viento cerca de los edificios
• Efectos del viento en el sistema de ventilación de un edificio
• Clima eólico para la energía eólica
• Contaminación del aire cerca de los edificios

Los ingenieros estructurales pueden considerar que la ingeniería eólica está estrechamente relacionada con la ingeniería sísmica y la protección contra explosiones .

Algunos estadios deportivos como Candlestick Park y Arthur Ashe Stadium son conocidos por sus vientos fuertes, a veces arremolinados, que afectan las condiciones de juego.

Historia

La ingeniería eólica como disciplina independiente se remonta al Reino Unido en la década de 1960, cuando se celebraban reuniones informales en el Laboratorio Nacional de Física , el Building Research Establishment y otros lugares. El término "ingeniería eólica" se acuñó por primera vez en 1970. ^[2] Alan Garnett Davenport fue uno de los contribuyentes más destacados al desarrollo de la ingeniería eólica. ^[3] Es muy conocido por desarrollar la cadena de carga de viento de Alan Davenport o, en forma abreviada, "cadena de carga de viento", que describe cómo los diferentes componentes contribuyen a la carga final calculada sobre la estructura. ^[4]

Cargas de viento en los edificios

Maqueta de túnel de viento de One Post Office Square, Boston

El diseño de los edificios debe tener en cuenta las cargas de viento, que se ven afectadas por la cizalladura del viento . Para fines de ingeniería, un perfil de velocidad del viento de ley de potencia puede definirse como: ^{[5] [6]}

${\displaystyle \ v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha }},0<z<z_{g}}$

dónde:

${\displaystyle \ v_{z}}$= velocidad del viento en la altura ${\displaystyle \ z}$

${\displaystyle \ v_{g}}$= viento de gradiente a altura de gradiente ${\displaystyle \ z_{g}}$

${\displaystyle \ \alpha }$= coeficiente exponencial

Por lo general, los edificios están diseñados para resistir vientos fuertes con un período de retorno muy largo, como 50 años o más. La velocidad del viento de diseño se determina a partir de registros históricos utilizando la teoría de valores extremos para predecir velocidades de viento extremas futuras. Las velocidades del viento generalmente se calculan en función de alguna norma o normas de diseño regionales. Las normas de diseño para cargas de viento en edificios incluyen:

• AS 1170.2 para Australia
• EN 1991-1-4 para Europa
• NBC para Canadá

Comodidad del viento

Se están instalando deflectores de viento para mitigar los problemas de peligro del viento en el rascacielos Bridgewater Place en Leeds, Reino Unido

Simulación por computadora del flujo de aire a sotavento de un hangar que causó daños al vuelo 9363 de Ameristar Charters

La llegada de bloques de torres de gran altura generó inquietud respecto a las molestias que el viento causaba a los peatones que se encontraban en sus inmediaciones.

A partir de 1971 se desarrollaron una serie de criterios de confort y peligrosidad del viento, basados ​​en diferentes actividades de los peatones, tales como: ^[7]

• Estar sentado durante un largo período de tiempo
• Sentado por un corto período de tiempo
• Vagante
• Caminando rápido

Otros criterios clasifican un entorno eólico como completamente inaceptable o peligroso.

Las geometrías de construcción que consisten en uno y dos edificios rectangulares tienen una serie de efectos bien conocidos: ^{[8] [9]}

• Corrientes de esquina, también conocidas como chorros de esquina, alrededor de las esquinas de los edificios.
• Flujo pasante, también conocido como chorro de paso, en cualquier paso a través de un edificio o pequeño espacio entre dos edificios debido a un cortocircuito de presión.
• Desprendimiento de vórtices en la estela de los edificios

Para geometrías más complejas, se requieren estudios de confort eólico para peatones. Estos pueden utilizar un modelo de escala adecuada en un túnel de viento de capa límite o, más recientemente, se ha incrementado el uso de técnicas de dinámica de fluidos computacional . ^[10] Las velocidades del viento a nivel de peatones para una probabilidad de excedencia dada se calculan para permitir estadísticas de velocidades del viento regionales. ^[11]

El perfil vertical del viento utilizado en estos estudios varía según el terreno en las proximidades de los edificios (que puede diferir según la dirección del viento) y a menudo se agrupa en categorías, como: ^[12]

• Terreno abierto expuesto con pocas o ninguna obstrucción y superficies de agua a velocidades de viento adecuadas
• Superficies de agua, terreno abierto, pastizales con pocas obstrucciones bien dispersas y con alturas generalmente de 1,5 a 10 m.
• Terreno con numerosos obstáculos muy próximos entre sí y de 3 a 5 m de altura, como zonas de viviendas suburbanas.
• Terreno con numerosos obstáculos grandes, altos (de 10 a 30 m de altura) y poco espaciados, como grandes centros urbanos y complejos industriales bien desarrollados.

Turbinas de viento

Las turbinas eólicas se ven afectadas por la cizalladura del viento. Los perfiles verticales de velocidad del viento dan como resultado velocidades de viento diferentes en las palas más cercanas al nivel del suelo en comparación con las que se encuentran en la parte superior del recorrido de las palas, y esto, a su vez, afecta el funcionamiento de la turbina. ^[13] El gradiente del viento puede crear un gran momento de flexión en el eje de una turbina de dos palas cuando las palas están en posición vertical. ^[14] El gradiente de viento reducido sobre el agua significa que se pueden utilizar torres de turbinas eólicas más cortas y menos costosas en mares poco profundos. ^[15]

Para la ingeniería de turbinas eólicas , la variación de la velocidad del viento con la altura a menudo se aproxima utilizando una ley de potencia: ^[13]

${\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}}$

dónde:

${\displaystyle \ v_{w}(h)}$= velocidad del viento en la altura [m/s] ${\displaystyle h}$

${\displaystyle \ v_{ref}}$= velocidad del viento a una altura de referencia [m/s] ${\displaystyle h_{ref}}$

${\displaystyle \ a}$= exponente de Hellman (también conocido como exponente de ley de potencia o exponente de corte) (~= 1/7 en flujo neutro, pero puede ser >1)

Significado

El conocimiento de la ingeniería eólica se utiliza para analizar y diseñar todos los edificios de gran altura , puentes colgantes y atirantados , torres de transmisión eléctrica y torres de telecomunicaciones y todos los demás tipos de torres y chimeneas. La carga del viento es la carga dominante en el análisis de muchos edificios altos, por lo que la ingeniería eólica es esencial para su análisis y diseño. Nuevamente, la carga del viento es una carga dominante en el análisis y diseño de todos los puentes de cables de gran longitud .

Véase también

• Ingeniería de huracanes
• Juan Twidell
• Control de vibraciones
• Pruebas en túnel de viento
• Asociación Mundial de Energía Eólica
• Mojadura
• Alan G. Davenport

Referencias

1. Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (18 de abril de 2017). "Construcción de un parque eólico digital". Archivos de métodos computacionales en ingeniería . 25 (4): 879–899. doi :10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. PMC  6209038 . PMID  30443152.
2. Cochran, Leighton; Derickson, Russ (abril de 2011). "La visión de un modelador físico de la ingeniería eólica computacional". Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial . 99 (4): 139–153. doi :10.1016/j.jweia.2011.01.015.
3. Solari, Giovanni (2019). Ciencia e ingeniería eólica: orígenes, desarrollos, fundamentos y avances . Springer Tracts in Civil Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi :10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN . 978-3-030-18814-6.
4. Isyumov, Nicholas (mayo de 2012). "La huella de Alan G. Davenport en la ingeniería eólica". Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial . 104–106: 12–24. doi :10.1016/j.jweia.2012.02.007.
5. Crawley, Stanley (1993). Edificios de acero . Nueva York: Wiley. pág. 272. ISBN 978-0-471-84298-9.
6. Gupta, Ajaya Kumar y Peter James Moss (1993). Pautas para el diseño de edificios de poca altura sometidos a fuerzas laterales. Boca Raton: CRC Press. pág. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.
7. Confort eólico para peatones en el entorno de los edificios: comparación de criterios de confort eólico. Tabla 3
8. Confort eólico para peatones en el entorno de los edificios: comparación de criterios de confort eólico. Figura 6
9. Efectos del viento sobre los peatones. Figura 3
10. Directrices de la AIJ para aplicaciones prácticas de CFD en entornos eólicos peatonales alrededor de edificios
11. Entorno eólico peatonal alrededor de los edificios. p112
12. AS/NZS 1170.2:2011 Acciones de diseño estructural Parte 2 – Acciones del viento. Sección 4.2
13. Heier, Siegfried (2005). Integración en red de sistemas de conversión de energía eólica . Chichester: John Wiley & Sons. pág. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
14. Harrison, Robert (2001). Grandes turbinas eólicas . Chichester: John Wiley & Sons. pág. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
15. Lubosny, Zbigniew (2003). Funcionamiento de turbinas eólicas en sistemas de energía eléctrica: modelado avanzado . Berlín: Springer. p. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

Lectura adicional

• Blocken, Bert (2014). "50 años de ingeniería eólica computacional: pasado, presente y futuro". Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial . 129 : 69–102. doi :10.1016/j.jweia.2014.03.008.
• Baker, CJ (2007). "Ingeniería eólica: pasado, presente y futuro". Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial . 95 (9–11): 843–870. doi :10.1016/j.jweia.2007.01.011.

Enlaces externos

• "Cómo los edificios altos doman el viento". The B1M . 12 de septiembre de 2018. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2021 – vía YouTube .