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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3734| Topología del flujo debido a vórtices helicoidales coaxiales no simétricos y del flujo detrás de una turbina giratoria Flow topology in asymmetric coaxial helical vortices and in the wake of wind turbines | |
| ALEJANDRO CAMILO ESPINOSA RAMIREZ | |
| OSCAR URIEL VELASCO FUENTES | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Vórtice helicoidal, advección caótica, turbina eólica, estabilidad Helical vortex, chaotic advection, wind turbine, stability | |
| Los vórtices helicoidales son uno de los fenómenos fundamentales en la estela de turbinas eólicas. Su interacción, inestabilidad y efecto sobre la energía cinética en la estela aún están bajo investigación activa. Esta tesis trata de los vórtices helicoidales en tres casos de realismo creciente: vórtices paralelos, hélices infinitas y hélices formadas y desintegradas en la estela de la turbina. En el primer tema, estudiamos la topología de flujo inducida por tres y cuatro vórtices puntuales. Estos vórtices generan un flujo estacionario cuando se localizan en los vértices de un polígono regular; de lo contrario, generan un flujo periódico con regiones caóticas. Cuantificamos el mar caótico y el intercambio de masa para tres y cuatro vórtices puntuales y encontramos que el mar caótico crece linealmente a medida que los polígonos del vórtice son perturbados y se alejan de su configuración estacionaria. También estudiamos la evolución de tres y cuatro vórtices de Rankine localizados inicialmente en los vértices de un polígono regular y encontramos que se fusionan o interactúan elásticamente (a diferencia de dos vórtices, que también pueden intercambiar masa sin fusionarse). La topología de flujo de los vórtices que interactúan elásticamente es similar a la de los vórtices puntuales con la misma configuración geométrica; sin embargo, los vórtices de Rankine generan un flujo no estacionario debido a que su interacción los deforma con el tiempo. En el segundo tema, estudiamos el movimiento y el flujo inducido por dos vórtices helicoidales coaxiales e iguales. Determinamos la estabilidad de vórtices simétricos, que se mueven de manera estacionaria, en función de su grosor y paso. Los vórtices asimétricos muestran cuatro tipos de movimiento periódico que, a su vez, determinan la topología del flujo que inducen. En el tercer y último tema, estudiamos la estela detrás de una turbina eólica de dos aspas, caracterizada por vórtices helicoidales. Hay fenómenos en la estela, actualmente no comprendidos del todo, que afectan al rendimiento de los parques eólicos. Uno de ellos es la inestabilidad de los vórtices que desprenden las aspas. Encontramos que el inicio de la inestabilidad depende de la intensidad de la turbulencia corriente arriba. Además, la eficiencia de una segunda turbina en la estela depende de su distancia al punto donde los vórtices se vuelven inestables. Helical vortices are one of the fundamental phenomena in the wake of wind turbines. Their interaction, instability, and effect on the kinetic energy in the wake are still under active research. This thesis deals with helical vortices in three cases of increasing realism: parallel vortices, infinite helices, and helices formed and disintegrated in the wake of the turbine. In the first topic, we studied the flow topology induced by three and four point vortices. These vortices generate a steady flow when they are located on the vertices of a regular polygon; otherwise, they generate a periodic flow with chaotic regions. We quantified the chaotic sea and the mass exchange for three and four point vortices and found that the chaotic sea grows linearly as the vortex polygons are perturbed away from their steady configuration. We also studied the evolution of three and four Rankine vortices initially located on the vertices of a regular polygon and found that they either merge or interact elastically (unlike two vortices, which also can exchange mass without merging). The flow topology of elastically-interacting vortices is similar to that of point vortices with the same geometric configuration; however, Rankine vortices generate unsteady flow because their interaction deforms them over time. In the second topic, we studied the motion and flow induced by two equal coaxial helical vortices. We determined the stability of symmetric, steadily-moving vortices as a function of their thickness and pitch. Asymmetric vortices display four types of periodic motion which in turn determine the flow topology they induce. In the third and final topic, we studied the wake behind a two-bladed wind turbine, characterized by helical vortices. There are wake phenomena that affect wind farms’ performance that are not currently fully understood. One of them is the instability of the vortices shed by the blades. We found that the instability onset depends on the upstream turbulence intensity. Furthermore, the efficiency of a second turbine in the wake depends on its distance to the point where the vortices become unstable. | |
| CICESE | |
| 2022 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Espinosa Ramírez, A.C. 2022. Topología del flujo debido a vórtices helicoidales coaxiales no simétricos y del flujo detrás de una turbina giratoria. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 77 pp. | |
| OCEANOGRAFÍA FÍSICA (VE R 5603 .04) | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Oceanografía Física |
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| Fichero | Descripción | Tamaño | Formato | |
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| tesis_Alejandro Camilo Espinosa Ramírez_22 julio 2022.pdf | Descripción completa de la tesis | 42.9 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |