Cosecha de energía a partir de vibraciones de un perfil aerodinámico en la estela de un cilindro

Abstract

En el presente trabajo se estudia mediante herramientas de fluidodinámica computacional (CFD) un dispositivo de cosecha de energía eólica. En general, estos son dispositivos de pequeño tamaño que transforman la energía cinética del aire en energía eléctrica, aprovechando las oscilaciones generadas por un flujo de aire o agua, sobre una estructura o cuerpo flexible, y son de particular interés en aplicaciones donde se desea alimentar equipos electrónicos de bajo consumo de potencia instalados en zonas rurales o en zonas aisladas de la red eléctrica, tales como dispositivos de adquisición de datos, sensores inalámbricos, instrumentales de medición de variables climáticas, entre otros. El trabajo se centra en el estudio bidimensional de un perfil aerodinámico rígido montado en un soporte elástico, situado en la estela de vórtices de un cilindro, ambos cuerpos separados por una distancia conocida, e inmersos en un flujo de aire con una velocidad incidente igual a la velocidad crítica de flutter del perfil aerodinámico. El cilindro bidimensional, situado a barlovento del perfil aerodinámico, se encuentra en posición fija (0 grados de libertad) y el perfil aerodinámico, situado a sotavento del cilindro, posee dos grados de libertad, movimiento de rotación (“pitching”) y de traslación longitudinal (“heaving”). Los parámetros de masa, inercia y rigideces estructurales del perfil aerodinámico se encuentran ajustados para que su velocidad critica de flutter coincida con la velocidad de la corriente libre. Se tienen dos objetivos principales: en primer lugar, investigar cómo influyen en la captación de energía del perfil aerodinámico diferentes frecuencias de vórtices generados por el cilindro en su estela, evaluando para cada frecuencia de vórtices diferentes distancias de separación entre cilindro y perfil. En segundo lugar, se pretende investigar, para la configuración de máxima extracción de potencia del perfil (para una dada frecuencia de vórtices del cilindro, y una separación particular entre cilindro y perfil), diferentes velocidades de la corriente libre, buscando evaluar cómo influye en la captación de energía, la velocidad de la corriente libre, y la existencia o no, de algún fenómeno de lock-in, o acoplamiento aeroelástico. El estudio se realiza resolviendo numéricamente, para el campo fluidodinámico, las ecuaciones de Navier Stokes promediadas (RANS), pero no estacionarias en grandes escalas temporales (URANS) utilizando el modelo de turbulencia k-ω SST. Para resolver la dinámica del perfil aerodinámico, se utiliza el solver “Six DOF” (Six degree of freedom) provisto por el software Ansys Fluent, el cual resuelve las ecuaciones de la dinámica del perfil, considerado como un cuerpo rígido, para cada paso de tiempo de la simulación numérica.