COMPORTAMIENTO AERODINAMICO DE SECCIONES DE DIFERENTES VELOCIDADES DE VIENTO, ÀNGULOS DE ATAQUE E INCLINACIÒN DE LAS PAREDES

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO AERODINAMICO DE SECCIONES DE PUENTESDEGRANDESCLAROSCONSIDERANDO CONSIDERANDO DIFERENTES VELOCIDADES DE VIENTO, ÀNGULOS DE ATAQUE E INCLINACIÒN DE LAS PAREDES Álvarez Arellano Juan Antonio 1,3 Sánchez Sánchez Héctor A. 2 Sordo Zabay Emilio 3 1 Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR) 2 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIA-UZ, Instituto Politécnico Nacional 3 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco (UAM-A)

2 RESUMEN El efecto del viento es particularmente importante para el caso de puentes de grandes claros y de bajo peso, pues se puede producir con relativa facilidad un efecto oscilante. Debido a esto, también se pueden generar fuerzas de viento en las tres direcciones transversal, longitudinal y vertical del puente. Las secciones de los tableros más utilizadas en puentes carreteros como la tipo dovela, poseen características particulares que incluyen: peralte variable, inclinación de las paredes así como los patines superiores, los cuales modifican en gran medida la trayectoria del flujo de viento a través de la sección y modifican su comportamiento aerodinámico. Se presentan resultados de simulaciones numéricas de la interacción fluido-estructura realizadas con ANSYS/FLOTRAN CFD 11.0 implementado modelos de turbulencia para la reproducción de la acción de viento en dichas estructuras. Dentro de las variables estudiadas se encuentran: la inclinación de paredes, ángulos de ataque de viento, velocidad del viento. Dentro de los resultados cualitativos destacan la identificación de puntos de estancamiento y recirculación del flujo de viento, lo cual generalmente no se identifica en pruebas experimentales de túnel de viento. Se concluye presentando gráficas que permiten comprender el aspecto aerodinámico del tablero de puente tipo dovela, también se presentan expresiones que permiten determinar coeficientes de arrastre y sustentación en función del ángulo de ataque de viento y número de Reynolds.

3 CONTENIDO ANTECEDENTES TUNEL DE VIENTO MODELOS DE TURBULENCIA DISPONIBLES EN ANSYS ELECCIÓN Y DISCRETIZACIÓN DEL DOMINIO DE CÁLCULO ESTUDIOS PRELIMINARES ESTRUCTURAS ESTUDIADAS CONCLUSIONES

4 ANTECEDENTE Incidencia de viento en estructuras con características geométricas particulares. Velocidades de viento en régimen laminar y turbulento. Necesidad de realizar pruebas experimentales en túnel de viento. Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamic, CFD): Análisis de sistemas que involucran flujo de fluidos mediante simulación numérica basada en computadoras (Verstieg y Malalasekera, 1995). Método exacto: Simulación directa (Direct Numerical Simulation, DNS o DN). Simulación de vórtices a gran escala (LES). Se simulan únicamente las grandes escalas del flujo. Modelos estadísticos. Ingeniería de Viento Computacional (del inglés Computational Wind Engineering Ingeniería de Viento Computacional (del inglés, Computational Wind Engineering, CWE). Consiste en aplicar las técnicas desarrolladas en la CFD que permitan reproducir adecuadamente la interacción viento-estructura, ya sean velocidades en régimen laminar o turbulento como los huracanes, en condiciones estacionarias o no estacionarias.

5 Túnel de viento real Sección de prueba (Fuente: Conjunto de ventiladores que integran un túnel de viento (túnel de viento UAM-A)

6 Túnel de viento virtual (3D) Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para una sección cilíndrica circular (García, 2008).

7 Túnel de viento virtual (2D) Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para los tableros de puentes (Álvarez, 2004)

8 Flujo turbulento Velocidad instantánea: v v t, x, y, z 1 t t o Velocidad de tiempo ajustado: v vdt vt, x, y, z Componente fluctuante: v' v v tt 0 v' v' dt 0 t t 0 t Ecuaciones de variación de tiempo ajustado (restringidas a flujo de fluidos incompresibles) Proceso de transformación a partir de las ecuaciones de variación: v v v' 1. Sustituir valores instantáneos por promedio mas fluctuante: P P P' x x x 2. Ajustar la ecuación en el tiempo: ecuación de continuidad y ecuación de movimiento

9 x y z R x vv x x vv Esfuerzos promedios x vv y x z de Reynolds Viscosidad turbulenta vv x y t vv y x Modelo de cero ecuaciones (ZE): 2 x x vv x y l v y v y vv x y t v x y ó t l v 2 x y l valor dado 04l 0.4ln min 0.09l c l = k (k constante de turbulencia de Von Karman y en ocasiones vale 0.4). l n = distancia más corta a una pared l c = longitud de escala característica (valor más grande de l n encontrado)

10 MODELOS DE TURBULENCIA DISPONIBLES EN ANSYS Modelo de turbulencia K epsilon Shear Stress Transport BSL Reynolds Stress SSG Reynolds Stress K epsilon EARSM SAS SST Detached Eddy Simulation* Zero equation Eddy Viscosity Transport Equation BSL BSL EARSM* LRR Reynolds Stress QI Reynolds Stress Omega Reynolds Stress LES Smagorinsky* LES WALE* RNG K epsilon LES Dynamicmodel* K Omega* * No incluidos en ANSYS 11

11 Elección del dominio computacional (Murakami y Mochida, 1995; Chen y Xu, 1998; Ishihara, 2002; Álvarez, 2004). Aproximación del dominio físico del problema. No existe hasta el momento un criterio estándar para definir el tamaño del dominio. Unas de las primeras estimaciones que deben realizarse para problemas de carácter general es el ancho, y este debe elegirse de tal forma que esté suficientemente alejado para que no afecte la solución cerca del obstáculo. Si el dominio es demasiado grande, el tiempo de cálculo se puede incrementar sin que los resultados varíen significativamente. Para estructuras civiles la recomendación de un dominio i de análisis i se dificulta debido a la gran variedad en las características geométricas y de material.

12 y x z Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para los tableros en estudio (Álvarez, 2004). L H 10, 7 B D

13 Discretización del dominio de cálculo Es necesario conocer las características que se pretenden reproducir en el modelo de análisis. Se deben realizar modelos con diversas configuraciones y observar los resultados obtenidos que representen de manera adecuada el fenómeno eólico. Cuando se esperan gradientes importantes, capas límites adversas o zonas de transición, la malla debe ser suficientemente fina en tales regiones. Se recomienda utilizar malla no estructurada, especialmente en geometrías complejas dado que no se sabe a priori la distribución de presiones, zonas de recirculación y puntos de estancamiento que en general permiten identificar los puntos importante t en la estructura t sujeta aviento.

14 ESTUDIOS PRELIMINARES R e UL fuerzas inerciales fuerzas viscosas Visualización de líneas de corriente en una sección circular

15 Estudios preliminares: Puente GBEB Distribución de presiones 5 (R e 1x10 ) Discretización del dominio de cálculo en el modelo G1 (Great Belt East Bridge) en Noruega. Distribución de viento incidente

16 Comparación resultados: Puente GBEB

17 SECCIÓN EN ESTUDIO (I) DOVELA DE DO VELA COMPENSACIÓN (DC) PRINCIPAL Corte longitudinal Definición de la inclinación de las paredes laterales () Definición del ángulo de ataque del viento () Sección trasversal Sección transversal típica de puente con tablero tipo dovela

18 Consideraciones en el modelado del viento = N.s/m 2 promedio de 35 º C. y = 1.2 kg/m 3, que corresponden a una temperatura 2 3 Dimensión: ió análisis i 2D (bidimensional) i Forma del elemento: triangular (tres nodos), elemento FLUID 141 Grados de libertad: velocidad del fluido (V x,v y,v z ), presión, temperatura, energía cinética turbulenta, disipación de energía turbulenta. Tipo de malla y elemento finito implementados en los modelos numéricos

19 Visualización de resultados Resultados cualitativos en la dovela estudiada con inclinación de pared de dovela de = 15º, =0º,Re=10.

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21 = 15º = 0º Resultados cualitativos en la dovela estudiada con inclinación de pared de dovela de =15 y 0º, = 40º, Re 9x10 6.

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23 Determinación de coeficientes aerodinámicos estáticos V F d C d F d 1 2 V 2 V H l l F 2 l C F 1 V 2 V B V V M t 1 2 V B m M 2 2 t C

24 C d C l C m E E E E E E E E+08 =0º. Re C d Coeficientes aerodinámicos estáticos cuando B = 16.9 m, H = 2.7 m, =15 o, =0 o,0 R e 1x C l E E E E E E E E+08 C m Re =20º.

25 Cm = 65 o Cuando = 35 y 65º, con = 15º, se observa que los valores divergen, pero cuando es aproximadamente 38º los valores comienzan a aumentar hasta alcanzar los valores mostrados correspondientes a = 65º Lo anterior justifica en parte = = o la falta de datos suficientemente generales de secciones de puentes E E E E E E E E+08 Re Valores difíciles de obtener en pruebas de túnel de viento. Variación de coeficientes de momento cuando = 35º y 65º

26 Cd en grados 1.5 Cm en grados Cl Coeficientes aerodinámicos estáticos C d, C m y C l para , para R e 9x10 6, y = 0,5,10 y 15 o. -2 en grados

27 Cl en grados Cd Cd - Cl Cl max Cd max Coeficientes de momento (C m ) para R e 9x10 6, cuando =0, 5, 10, 15º Cl Relación C d vs. C l para =15º

28 H 0.16 B Universidad Autónoma del Carmen B H Cd Cl Cm -2 en grados Coeficientes aerodinámicos estáticos en función del ángulo de ataque del viento, cuando = 0º. C x x x x x d l m C x x x x C x x x x O 90 0 O O 0 90 O

29 ca/d,dcl/ /d,dcm/d d Dca/da dcl/da Dcm/da D Derivadas de coeficientes aerodinámicos de una sección del puente.

30 Dcl/da+Ca 1 Dcl/d+C Ca Criterio de inestabilidad aerodinámico Criterio cuasi - estático de Den Hartog para que comience la inestabilidad por galope: dc l c a d 0 0 Donde es el ángulo de ataque estático, sin tener en cuenta las perturbaciones ocasionadas por las oscilaciones del cuerpo.

31 SECCIÓN EN ESTUDIO (II) Sección transversal del tablero del puente

32 Altura de costilla variable (+) presiones (- )succiones Discretización de dominio de cálculo para el Puente Texcapa. Altura de costilla variable de H = 0 m 11.8 m

33 COMPARACIÓN DE COEFICIENTE DE ARRASTRE MODELO CON COSTILLA H = 0, 5.8, 11.8 m CD MÁXIMOS C D INTERVALO SUCEPTIBLE A VIBRACIÓN Ángulo de ataque (en grados) COSTILLA H = 11.8 COSTILLA H = 0 COSTILLA H = CAMBIO DE SIGNO Comparación de coeficientes de arrastre obtenidos para diferentes ángulos de ataque para el tramo central del puente Texcapa, México

34 CONCLUSIONES La geometría del tablero y el ángulo de ataque del viento fueron los dos factores que influyeron más en la determinación del C d. Los resultados más satisfactorios para el cálculo de C d se obtuvieron para valores la retícula no estructurada. El tamaño del dominio i de cálculo l influyeenel l valor de los coeficientes i de arrastre, por lo tanto, se pueden iniciar el modelado con el procedimiento propuesto. Colocar costillas en tableros de puentes modifica la distribución de velocidades, distribución de presiones e incrementa los coeficientes de arrastre a lo largo de tablero. La variación del C d para tableros de puentes no es lineal respecto a la geometría del tablero de puente y el ángulo de ataque del viento. Los valores máximos de C d no corresponden a un ángulo de ataque de =45 como se menciona en la mayoría de las aplicaciones de la práctica.

35 Para secciones de tableros tipo dovela, el ángulo de ataque que produce los mayores C d, corresponde a = 40º para un valor dado de velocidad de viento. Para secciones de tableros tipo dovela, el ángulo de ataque que produce los mayores C l, corresponde a = 50º. Los valores máximos de C m se presentaron con = 50º, sin embargo, para una misma velocidad d tal coeficiente i disminuyei cuando 38º y aumentan cuando > 48º. Los valores considerados de en el presente estudio, no parecen influir en los valores de C d, C l y C m. Los valores de C d d,, C l y C m m,, máximos no ocurren simultáneamente cuando se consideran diferentes valores de y R e. Con base en los resultados obtenidos, se concluye que la sección tipo dovela tiene un comportamiento aerodinámico i adecuado. d

36 AGRADECIMIENTOS Posgrado en Ingeniería Estructural en la División de Ciencias Básicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, UAM - A PROMEP, UNACAR Grupo SSC S.A. dec.v.