Aeroelasticidad y Resonancia Aeroelástica en el
Ciclo Rotor Eólico
Gabriel Saitua, 2021
1.- Aeroelasticidad
La aeroelasticidad fue definida
por Arthur Collar en 1947 como la ciencia
que se dedica al “estudio de la interacción mutua
entre fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas, cuando éstas actúan sobre
elementos estructurales expuestos a una corriente de aire", así como la
influencia del diseño en los resultados.
En éste sentido el diseño ocupa
un lugar de interés, dado que en ocasiones, pequeños cambios en la distribución
de las masas y en la rigidez de la estructura, pueden resultar muy efectivos a
la hora de resolver ciertos problemas aeroelásticos.
Se aceptan dos tipos de
aeroelasticidad: estática y dinámica.
La
aeroelasticidad estática
Estudia la interacción entre las
fuerzas elásticas y aerodinámicas sobre la estructura.
La
aeroelasticidad dinámica
Estudia la interacción entre las
fuerzas inerciales, aerodinámicas y elásticas. Su conocimiento resulta de
interés para conocer la seguridad de una
estructura en interacción con el medio en el cual desarrolla su actividad.
2.- Resonancia
aeroelástica
La resonancia aeroelástica es un fenómeno que tiene lugar cuando la frecuencia del
viento está muy cerca de la frecuencia estructural del objeto, momento
en el cual éste comienza a oscilar y entra en resonancia con el viento; a éste
fenómeno también se le conoce como vortex induced vibration (VIV).
El
flameo
Conocemos que cuando el viento
pasa a través de un cuerpo romo, el flujo se modifica generando un patrón
cíclico característico de turbulencias o vórtices, que conocemos como flujo
turbulento.
El flameo es una vibración o resonancia autoinducida relacionado con las características
propias de la estructura, cuando se encuentra afectada por las turbulencias del
viento.
Un ejemplo histórico sobre el
flameo lo encontramos en el colapso que sufrió el puente de Tacoma Narrows en
1940 por la fuerza del viento.
Destrucción del puente de Tacoma Narrows 1940
En éste caso el fenómeno de flameo fue el responsable de una inestabilidad que llevó a su colapso y destrucción final. Tuvo lugar cuando la superficie sustentadora del puente se dobló y fracturó por la carga aerodinámica del viento, efecto relacionado directamente con la intensidad del viento y con la propia respuesta de su estructura.
Habitualmente, cuando un viento intenso reduce su intensidad, la desviación de la estructura afectada también desciende, volviendo a su forma original.
En situaciones extremas, la elasticidad propia de la
estructura hace que cuando la carga del viento se reduce, ésta salta creando
una nueva carga aerodinámica que se añade en la dirección opuesta, alcanzando
una intensidad final mayor que la fuerza original del viento.
En una estructura mecánica sujeta a alta
velocidad, con cambios en el flujo de viento,, como el ciclo rotor eólico, es
preciso conocer su aeroelasticidad y resonancia aeroelástica de sus materiales
en condiciones adversas para prevenir un posible colapso relacionado la propia
estructura de sus materiales y de su tolerancia aeroelástica.
3.- Estructura, resistencia de
materiales y seguridad del aeromotor bipala. Ciclo Rotor Eólico
a.- Materiales
En la estructura de los
prototipos de Ciclo Rotor Eólico (2016/2020), se han usado materiales plásticos
semirigidos montados sobre una capa o dos capas; la mayor eficiencia se obtuvo
cuando la estructura de las palas estuvo compuesta por una doble capa abrazando
los radios, obteniendo una mayor rigidez con bajo peso.
Se usaron materiales laminados en
placas de polietilentereftalato y polipropileno. El laminado de polipropileno
de dos caras consigue buenas respuestas aeroelásticas con un peso
contenido, inferior a 100gr.
Nos encontramos pendientes de
estudiar el comportamiento de prototipos construidos con materiales más rígidos
y ligeros como el carbono.
Tipos
de perfiles de las ruedas
Las ruedas de carretera están
catalogadas en varios tipos de perfiles, con diferente en función en relación a
su tamaño: bajo (menos de 25-30mm), medio (entre 30-40mm.), alto (más de 40-45mm.) y muy alto, alcanzando incluso
88mm.
https://www.maillotmag.com/afondo/que-aportan-las-ruedas-de-perfil-en-la-bici-de-carretera
Las
ruedas de perfil bajo, inferior a 30mm., son ruedas
clásicas y siguen siendo las mejores ruedas para subir puertos y rutas con gran
desnivel, gracias a su ligereza y tolerancia ante vientos intensos.
Las
ruedas de perfil medio, entre 30 y 40mm.,
son más polivalentes y de excelente utilidad. Mantienen en gran parte
los beneficios aerodinámicos de una rueda de perfil alto y las características
propias de la polivalencia de las ruedas sin perfil.
Las
ruedas de perfiles altos y muy altos, son
más aerodinámicas y se utilizan en la mayoría de “cabras” o bicicletas de
triatlón. Son ideales para terrenos llanos, en días de poco viento, donde se
puede rodar a gran velocidad.
https://www.sport.es/labolsadelcorredor/ruedas-perfil-alto-medio-mejor-ciclismo-carretera/
Las ruedas de perfil alto y muy
alto, presentan mayor carga aerodinámica, pero mejoran su energía cinética
rotacional.
A pesar de su mayor superficie expuesta
al viento, el peso se mantendría
equilibrado usando materiales ligeros como el carbono, aunque a un precio más
elevado. En cuanto a su morfología, el perfil globoso ha mostrado tener una
mayor eficiencia dinámica en condiciones de vientos leves.
El
perfil del aeromotor bipala
En los prototipos estudiados, el perfil de
la rueda se modifica radicalmente, dado que se trata de una rueda con dinámica
helicoidal; sus dos aspas se salen del perfil de la rueda para
lograr una función dinámica complementaria relacionada con la velocidad del
viento.
Nuestro modelo de utilidad
incorpora dos palas o álabes extendidos, con morfología espiral, situados en
posiciones equidistantes; sus formas son espirales, con separación progresiva
de las palas, formando un helizoide incompleto.
Helizoide de doble pala. Ciclo Rotor Eólico
“Un modelo de utilidad para el ciclista”
El extremo anterior de las palas es
puntiagudo y gira en el sentido de nuestra marcha, es decir en sentido de las
agujas de un reloj, con la
característica específica de presentar un espacio abierto central con forma de
“S” entre ambas palas.
Las aspas presentan una cara levemente cóncava en sus caras internas, siendo convexas en sus caras externas; su forma de ala hace que se encuentren sujetas a fenómenos de sustentación, compensándose por el efecto Venturi de aproximación del flujo, cuando éste se acelera entre las dos caras internas.
Durante la circulación entre palas, el
viento sufre una reorientación en el plano vertical aumentando la energía
toroidal poloidal, facilitando la energía de rotación y traslación; éste efecto
se pone de manifiesto preferentemente en las fases de aceleración.
b.- Seguridad del aeromotor bipala. Ciclo
Rotor Eólico
La velocidad de las palas
En 1658, Christopher Wren
demostró que la longitud de la cicloide, el ciclo o giro de la rueda, que es
igual a cuatro veces el diámetro de la circunferencia generatriz.
En una rueda de bicicleta de
carretera, el diámetro habitual de la llanta es de 60cm., es decir que cada
giro completo de genera un avance de
2´4m.
En una salida de entrenamiento en
bicicleta de carretera, es frecuente realizar velocidades medias de 25Km/h. Aplicando una regla de tres:
1 giro de
rueda
2´4m.
X giros de
rueda 25.000m/hora
X: 10.416 giros/hora
Pasando a segundos: 10.416
giros/hora, equivalen a 2´89 vueltas
de la rueda por segundo.
Si alcanzamos una velocidad media
de 30Km/h., las ruedas han girado a
una velocidad media de 3´47
vueltas por segundo.
Se trata por tanto de una alta
velocidad giratoria de nuestra rueda, de 3 a 3 ½ vueltas por segundo; en éste contexto resulta fácil comprender que
pequeños cambios en la rueda generen pequeñas diferencias en cada ciclo, pero
pueden resultar muy significativos cuando se trata de trayectos prolongados.
Si atendemos a las ruedas,
elementos de interacción dinámica con el viento a alta velocidad, debemos
considerar: la estructura de la rueda, y las
características propias de los materiales (aeroelasticidad y resonancia
aeroelástica), su peso y considerar que algunas modificaciones en su diseño pueden
conseguir ventajas aerodinámicas y cinéticas significativas.
Pruebas de tolerancia aeroelástica del
Ciclo Rotor Eólico
Pista
En las pruebas realizadas en pista
descubierta de 400m. (Polideportivo Fadura, Getxo, Bizkaia), comparando una
rueda con aeromotor bipala con una rueda
sin complemento; encontramos que el aeromotor bipala (Ciclo Rotor Eólico) no
presentó ningún problema relacionado dinámico durante la aceleración y marcha
lanzada, mostrando mejoras de 1 segundo en cada aceleración controlada, para
cambios de velocidad controlada entre 25 y 40Km/h.
La extrapolación de resultados para una
distancia de 40km., suponen una mejora teórica de 2´77 minutos respecto a una
rueda sin adaptación.
La experiencia resultó de
interés, dado que nuestros resultados se encuentran en los rangos de mejora
descritos en competición.
En pruebas con una bicicleta de
triathlon que incorporamos una rueda trasera lenticular y una anterior de
palos, se consiguen mejoras entre 1 y 1´30 minutos en competiciones contra
reloj de 40Km., en terreno llano.
http://www.amtriathlon.com/2010/06/prueba-aerodinamica-de-ruedas.html
Otros autores consideran que un
par de buenas ruedas aerodinámicas pueden suponer diferencias entre 2 a 3
minutos en una prueba contra reloj de 40km.
http://www.sportraining.es/sportraining/
Tolerancia aeroelástica del Ciclo Rotor
Eólico en carretera
En los últimos años, hemos tenido la
oportunidad de probar nuestros prototipos en condiciones climáticas muy
diversas; en todo momento, tanto la tolerancia aeroelástica como los fenómenos
de resonancia aeroelástica, han sido bien tolerados con materiales plásticos,
incluyendo condiciones adversas de
vientos racheados variables; a modo de ejemplo se usó el Ciclo Rotor Eólico en
el Camino de Santiago en bicicleta de carretera por etapas, entre Getxo, Bizkaia
y Santiago de Compostela, La Coruña (>700Km.), realizado en julio de 2016
por el grupo ciclista de aficionados Karmany´s; por otra parte, en todas las salidas
realizadas con los prototipos entre los años 2016 a 2021, no hemos constatado
percances y ha mostrado un correcto rendimiento y comportamiento seguro, para
velocidades variables exploradas, entre 25 y 70km/h.
Seguridad. Limitaciones de velocidad del
aeromotor bipala
Siguiendo las recomendaciones de seguridad
propuesta para los aeromotores bipala, el uso del ciclo rotor eólico debemos limitar su uso a una velocidad máxima
de 79´2Km/h., equivalente a superar los 9 giros de rueda por segundo, con
el fin de proteger la estructura ante
turbulencias generadas en el rotor, cuando inciden vientos racheados variables
de alta velocidad.
c.- Modificaciones
de diseño y cambios en el rendimiento del Ciclo Rotor Eólico
Durante los años de experiencia
en el Proyecto, hemos observado que pequeños cambios en la estructura
(materiales) y en la forma (diseño de las aspas del rotor), producen cambios
significativos en los resultados dinámicos del sistema en su interacción con el
viento.
El
disco inercial
La incorporación de un pequeño disco
inercial de peso ligero en el extremo posterior de las palas aumenta la energía
cinética; por otra parte, las aspas formadas por dos capas mejoran la cinética
rotacional.
Una
morfología eficiente en las palas
El
desprendimiento de vórtices en las palas
Un estudio virtual sobre generación y
desprendimiento de turbulencias o vórtices en las aspas del Ciclo Rotor indica,
nos indica que los vórtices se originan
preferentemente en las puntas de las aspas y en la región postero superior
distal de las mismas.
Simulación
Localización preferente de los vórtices (color azul). Ciclo Rotor Eólico Bipala
La aerodinámica de las aletas
Si observamos la rueda como un
cilindro o donuts anular, girando contra el viento, el patrón de turbulencias o
vórtices se retrasa y disminuye su intensidad cuando añadimos una aleta, en
nuestro caso las aspas.
Vórtices generados por un cilindro (Ej: toroide
anular: rueda)
Vórtices en un cilindro anular: cambio en
sus vórtices, cuando la superficie cilíndrica se prolongada con una aleta (Ej.:
Ciclo Rotor Eólico Bipala)
Éste fenómeno, aplicado al toroide anular de
la rueda, permite disminuir la carga aerodinámica, tanto en fases de arrancada y
en velocidad lanzada.
Prototipo Ciclo Rotor Eólico 2021. Cannondale Synapse
Gabriel Saitua, Getxo, 2021
