Ingeniería eólica

Estudio de los efectos del viento en 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 malestar, 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 los 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 computacionales de dinámica de fluidos .

La ingeniería eólica involucra, entre otros temas:

• Impacto del viento en estructuras (edificios, puentes, torres)
• Confort del viento cerca de los edificios
• Efectos del viento sobre 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 el Candlestick Park y el 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 bien conocido por desarrollar la cadena de carga de viento de Alan Davenport o, para abreviar, "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 edificios.

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

El diseño de los edificios debe tener en cuenta las cargas de viento, y éstas se ven afectadas por la cizalladura del viento . Para fines de ingeniería, un perfil de velocidad del viento según la 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 altura ${\displaystyle \ z}$

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

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

Normalmente, los edificios están diseñados para resistir un viento fuerte 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 extremas del viento en el futuro. Las velocidades del viento generalmente se calculan basándose en alguna norma o normas de diseño regional. Los estándares de diseño para la construcción de cargas de viento incluyen:

• COMO 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 favor del viento de un hangar que causó daños al vuelo 9363 de Ameristar Charters

La llegada de los bloques de pisos de gran altura generó preocupaciones sobre las molestias del viento causadas por estos edificios a los peatones en sus alrededores.

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

• Sentado por un largo período de tiempo
• Sentado por un corto período de tiempo.
• Vagante
• caminando rapido

Otros criterios clasificaban 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.
• Vórtices que se desprenden tras los edificios

Para geometrías más complejas, se requieren estudios de confort del viento para peatones. Estos pueden utilizar un modelo a escala adecuada en un túnel de viento de capa límite o, más recientemente, ha aumentado 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 regionales de velocidades del viento. ^[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 por ejemplo: ^[12]

• Terreno abierto expuesto con pocas o ninguna obstrucción y superficies de agua a velocidades de viento de servicio
• Superficies de agua, terreno abierto, pastizales con pocas obstrucciones bien dispersas y alturas generalmente de 1,5 a 10 m.
• Terreno con numerosas obstrucciones muy cercanas entre sí de 3 a 5 m de altura, como áreas de viviendas suburbanas.
• Terreno con numerosas obstrucciones grandes, altas (de 10 a 30 m de altura) y poco espaciadas, 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 diferentes velocidades del viento en las palas más cercanas al nivel del suelo en comparación con aquellas en la parte superior del recorrido de las palas, y esto, a su vez, afecta el funcionamiento de la turbina. ^[13] La gradiente del viento puede crear un gran momento de flexión en el eje de una turbina de dos palas cuando las palas están verticales. ^[14] La reducción del gradiente de viento 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 altura [m/s] ${\displaystyle h}$

${\displaystyle \ v_{ref}}$= velocidad del viento a alguna 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

Los conocimientos de la ingeniería eólica se utilizan para analizar y diseñar todos los edificios de gran altura , puentes colgantes y atirantados , torres de transmisión de electricidad y torres de telecomunicaciones y todos los demás tipos de torres y chimeneas. La carga de viento es la carga dominante en el análisis de muchos edificios altos, por lo que la ingeniería eólica es fundamental 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 luces largas .

Ver también

• Ingeniería de huracanes
• John 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 del viento: orígenes, desarrollos, fundamentos y avances . Springer Tracts en Ingeniería Civil. Cham: Editorial Internacional Springer. 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. pag. 272.ISBN​ 978-0-471-84298-9.
6. Gupta, Ajaya Kumar y Peter James Moss (1993). Directrices para el diseño de edificios de poca altura sometidos a fuerzas laterales. Boca Ratón: CRC Press. pag. 49.ISBN​ 978-0-8493-8969-6.
7. Confort del viento de los peatones alrededor de los edificios: comparación de criterios de confort del viento. Tabla 3
8. Confort del viento de los peatones alrededor de los edificios: comparación de criterios de confort del viento. Figura 6
9. Efectos del viento sobre los peatones. figura 3
10. Directrices de AIJ para aplicaciones prácticas de CFD en entornos de viento para peatones alrededor de edificios
11. Entorno de viento 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 e hijos. pag. 45.ISBN​ 978-0-470-86899-7.
14. Harrison, Robert (2001). Grandes aerogeneradores . Chichester: John Wiley e hijos. pag. 30.ISBN​ 978-0-471-49456-0.
15. Lubosny, Zbigniew (2003). Operación de aerogeneradores en sistemas de energía eléctrica: modelado avanzado . Berlín: Springer. pag. 17.ISBN​ 978-3-540-40340-1.

Otras lecturas

• Bloqueado, 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.
• Panadero, 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 dominan el viento". El B1M . 12 de septiembre de 2018. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2021, a través de YouTube .