jueves, 24 de enero de 2019

Esquema sencillo y funcionamiento complejo del ciclo rotor eólico.


Esquema sencillo y funcionamiento complejo del ciclo rotor eólico.

El ciclo rotor eólico constituye aparentemente una pequeña y sencilla modificación de un sistema que interacciona con el entorno, sobre todo con el flujo aéreo que cambia constantemente en velocidad y dirección mientras la rueda gira a velocidades muy variables.

Éstas características hacen que su comportamiento resulte complejo. 

Analizaremos mediante un esquema sencillo su complejidad.

“El efecto emergente que se produce en nuestro sistema es la aceleración pulsátil”, generado en la capa límite, cuando intervienen el flujo laminar y el turbulento al chocar sus flujos entre sí, uno en sentido antihorario (rotor) y otro en sentido horario (viento), a modo del “ojo de un huracán”.

La complejidad de su funcionamiento íntimo del ciclo rotor hace que para aproximarnos a la comprensión del mismo se requiera simulación computacional. Sin embargo lo veremos en un esquema sencillo.

Bases funcionales del sistema ciclo rotor eólico

Se trata de una “pequeña modificación estructural sencilla, para abordar un funcionamiento complejo"; consistente en un aeromotor de dos palas amplias helicoidales situadas sobre planos oblicuos.

Al girar el sistema gira interacciona progresivamente con el viento, para alcanzar su máxima interacción cuando la velocidad aparente es igual o superior a 25Km/h.

La velocidad a la cual gira rueda asustan...
  • A 10km/h. la rueda gira a 69´6 vueltas/minuto
  • A 20km/h. la rueda gira a 138´6 vueltas/minuto
  •  A 30km/h. la rueda gira a 208´2 vueltas/minuto
En cada una de las vueltas se producen fenómenos diferentes en tres partes distintas partes del rotor, que determinan los cambios emergentes del sistema cuyos efectos favorables son: "menor cansancio del ciclista, con mayor confort de la marcha y alta eficiencia en las aceleraciones".

Veamos su actividad durante la rotación, mediante el siguiente esquema:


Flujos aéreos en el sistema del ciclo rotor eólico
Plano lateral

Si nos desplazamos en bicicleta hacia la derecha, vemos en nuestro esquema cómo se gestionan los flujos de aire que inciden en sentido anteroposterior y que aumentan en su intensidad a medida que aumentamos la velocidad.

·  1.- Líneas de flujo naranjas, localizadas en el tercio superior de la figura, corresponden al flujo de aire que impacta sobre la superficie convexa de la primera pala o álabe. Según el principio de Bernoulli, el aire aumenta la velocidad y el efecto de giro sobre la llanta y la energía toroidal de la rueda.

·   2.- Las líneas de flujo rosa, localizadas en el tercio medio, central al eje de la rueda, con apertura en “S”; aumentan su velocidad al transitar el flujo aéreo por un paso estrecho potenciando la estabilidad y fijando la trayectoria del ciclista.

·     3.- Las líneas de flujo amarillas, localizadas en el tercio inferior, correspondientes al segunda pala o álabe, con morfología es cóncava, disminuyen la velocidad del viento, ofreciendo un efecto de flotación, para ser recogido secuencialmente por la primera pala. La combinación del movimiento genera un movimiento helicoidal circular y una energía complementaria de aceleración tangencial.


Plano postero anterior


Gabriel Saitua, Getxo 2019

miércoles, 23 de enero de 2019

Uso del ciclo rotor eólico, "como una vela".



Uso del ciclo rotor eólico, “como una vela”.
El  viento real, viento propio y viento aparente.
El viento real es el que sentimos cuando estamos parados. Sus parámetros más interesantes que lo definen son su intensidad y su dirección, parámetros que se expresan por un vector.
Un vector es un segmento de recta, contado a partir de un punto del espacio, cuya longitud representa a escala una magnitud, en una dirección determinada y en uno de sus sentidos.
A medida que nos desplazamos, debido a nuestra velocidad, generamos un flujo de aire o viento propio.  Si no existiera viento real, el viento que percibimos será igual a la velocidad de nuestra bicicleta. Sin embargo la realidad es otra porque siempre nos encontramos con viento y habitualmente en contra.
El viento cuando nos desplazamos en bicicleta.
Durante el desplazamiento, a la dirección y velocidad de nuestro propio viento, es decir a nuestro vector de desplazamiento, debemos sumar o se restar el viento real, según su magnitud y dirección, es decir su vector.
Al vector resultante de la suma del vector del viento propio y del vector viento real lo llamamos viento aparente, que es el que realmente usa el ciclista cuando se desplaza en bicicleta.
Los dispositivos electrónicos pueden calcular la velocidad y la dirección de incidencia del viento. Las aplicaciones para teléfonos móviles como la APP ZephyrFree tienen utilidad práctica y nos indican el viento aparente.
Se trata de conceptos que se utilizan en la navegación a vela: 


El uso del viento en la navegación... la vela
Dibujo propio. Gabriel Saitua


Calculo vectorial del viento provocado, real y aparente en navegación a vela
Un ejemplo en la bicicleta.

En un día sin viento, el viento aparente se presenta directamente de frente y es de la misma magnitud que la velocidad de la bicicleta.

Cuando circulamos con un viento de 5km/h, soplando hacia el norte y pedaleamos a 20km/h. hacia el norte, como resultado sentimos un viento aparente de 25km/h. que nos empuja a 5Km/h, y nos ayuda a dirigirnos hacia el norte.

Si estuviéramos pedaleando a 20km/h. en dirección sur, con un viento de 5km/h, soplando en contra, hacia el norte, tendremos un viento aparente de 15km/h. y una resistencia en contra correspondiente a 5Km/h.

En estos ejemplos sencillos, en el cual nuestro movimiento es paralelo al viento real, hace que sea fácil de calcular el viento aparente.

Sin embargo habitualmente nuestro movimiento no es paralelo al viento, por lo que se deben utilizar vectores y trigonometría para calcular el resultado del viento aparente.

Método del paralelogramo.

Se trata de un procedimiento gráfico que permite hallar la suma de dos vectores. Primero se dibujan ambos vectores a escala, con el punto de aplicación común. Seguidamente, se completa un paralelogramo, dibujando dos segmentos paralelos a ellos.


https://www.universoformulas.com/fisica/vectores/suma-vectores/

El vector suma resultante (Vector a + Vector b) será la diagonal del paralelogramo con origen común a los dos vectores originales.

Veamos un ejemplo, que resulta poco habitual para el ciclista, en el cual el viento nos resulta favorable:

·         Vector de viento del ciclista (b): Coordenadas vectoriales (0,3´5). La velocidad del ciclista es de 35Km/h. en dirección lineal hacia el este.

·       Vector del viento real (a): Coordenadas vectoriales (2,1´2). Velocidad del viento 22Km/h. en dirección estable hacia noreste.

·         Vector resultante del viento aparente (a+b): suma vectorial de las coordenadas de ambos vectores: (2,4´7). El resultado supera al propio vector de viento del ciclista, por lo cual facilita nuestra trayectoria con una deriva hacia noreste y un incremento de velocidad hasta 50km/h. para las mismas condiciones de cadencia y potencia.

Sin embargo ésta condición resulta poco corriente, dado que “en la práctica del ciclismo el viento es el único elemento que habitualmente nos da de cara”.

Conocer algo más sobre el viento…. sobre las velas, es posible que nos puede ayudar a gestionarlo adecuadamente…

Principios de funcionamiento de las velas en un barco.

¿Cómo funcionan las velas de un barco?

El barco para moverse utiliza la energía del viento para crear una fuerza de propulsión.
El viento circula dividiendo su flujo por las dos caras de la vela, el lado de barlovento y el de sotavento. El viento corre más deprisa por la parte convexa de la vela o parte de sotavento que por la parte cóncava o lado de barlovento.

En 1738 el físico Daniel Bernoulli mostró la relación diferencial entre la velocidad y la presión de los fluidos; cuando aumentamos la velocidad de un fluido, la presión de un disminuye y cuando la velocidad se reduce aumenta la presión.

De ésta forma la diferencia de presión entre las dos caras de la vela hace que se genere una fuerza cuya dirección irá de la alta presión a la baja presión produciendo el movimiento del barco.

Así, cuanto mayor es el embolsamiento de aire o curvatura de una vela, mayor es la diferencia de presión y  por tanto mayor la fuerza e impulso generado.

Cómo actúan las velas de un velero.

Las fuerzas resultantes en la vela nos permite disponer de una pequeña fuerza propulsora hacia delante con un gran empuje lateral. El empuje lateral es contrarrestado por el casco, la quilla u orza, dando como resultado la escora de la embarcación con un cambio de dirección hacia sotavento conocido como abatimiento.

Los tipos de vela influyen en el resultado de la navegación; una vela plana genera menor propulsión y por tanto menor resistencia, siendo ideal para navegar con viento fuerte. Este principio es también importante en cuanto a nuestra seguridad, una mayor muy embolsada nos puede acarrear problemas con vientos fuertes por el exceso de energía que producirá. Por otro lado, una vela embolsada no ciñe tanto como una vela más plana.

Principio de Bernoulli  en el ciclo rotor eólico.

El principio de Bernoulli se aplica tanto en las velas de los barcos como en las alas de los aviones; la velocidad del viento corre a distinta velocidad por la cara superior e inferior del ala, produciendo una diferencia de presión que al pasar de una presión alta a una baja en sentido horizontal, hace que el avión vuele.

El teorema o principio de Bernoulli también se aplica al Ciclo Rotor Eólico, al tratarse de un aeromotor bipala helicoidal circular y abierto en “S”, que actúa según la incidencia e intensidad del viento.

Nuestras dos palas son semirígidas, adaptadas para rotar a alta velocidad en sentido contrario a las agujas del reloj, en un  movimiento helicoidal capaz de utilizar la energía del viento. ¿Cómo lo hace?. ¿Cómo una hélice? Cómo una vela?.



Principio de Bernoulli aplicado al Ciclo Rotor Eólico

Supongamos que circulamos con nuestra bicicleta y ciclo rotor en la rueda trasera y en una dirección norte (flecha verde de la figura). El viento real tiene incidencia antero lateral (líneas naranja), procedente del noreste, de intensidad moderada a fuerte a 10m/sg. X 3´6: 36Km/h.

Cuando el viento real V(R) incide sobre el ciclo rotor manteniendo su trayectoria se producen tres fenómenos combinados, que para su comprensión los describiremos por separado:

1.- En el centro de la rueda, alrededor del eje horizontal, el aeromotor permite el paso del viento por su apertura central estrecha y abierta en “S”, al tiempo que aumenta su velocidad.

2.- Cuando incide el viento real sobre la pala cóncava del rotor, disminuye su velocidad y aumenta su presión sobre la misma y produce un efecto vela con sustentación.

3.- La incidencia del viento real sobre la pala convexa del rotor hace que aumente su velocidad, disminuyendo su presión. El aumento de la velocidad permite obtener la energía cinética complementaria helicoidal complementaria entre palas y toroidal en la llanta.

Un sencillo experimento nos permite comprobar el principio de Bernoulli implicado en nuestro modelo de utilidad; si ponemos una cuchara con su parte curva convexa debajo del chorro de agua de un grifo, observaremos que la cuchara es succionada hacia el chorro.



La cuchara es atraída hacia el chorro de agua cuando éste incide sobre su cara convexa


  
Ciclo rotor eólico, “un modelo de utilidad para el ciclista”


Gabriel Saitua, Getxo 2019.


El viento, la resistencia aerodinámica en el ciclismo y el ciclo rotor eólico

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