Un giro a la energía: las vibraciones inducidas por vórtices

6 abril, 2023 0

Por: Juan Carlos Cajas y Xiomara Ancona Diaz*

Este texto y obras de arte fueron preparados como parte de la Revista Pingüica en su número 6, especial ENES-Mérida. Pingüica es un proyecto para la interpretación artística de temas científicos.

El agua y el aire son dos fluidos fundamentales de la naturaleza de los que depende la vida en la Tierra. Sus corrientes generan una gran cantidad de energía renovable, y para aprovecharla, es necesaria la investigación y la comprensión del comportamiento de estos fluidos al moverse. Las vibraciones inducidas por vórtices (VIV) constituyen un fenómeno físico que se estudia en el campo de la mecánica de fluidos -líquidos o gases-, y que se centra en el estudio de las leyes del movimiento y sus procesos de interacción con los cuerpos sólidos. En pocas palabras, la mecánica de Newton, que describe el movimiento de los cuerpos en el espacio, se traslada al estudio de medios que se deforman y permite comprender y predecir cómo éstos se comportan.

Las VIV se generan cuando una corriente de aire o agua se encuentra con una estructura; al producirse el encuentro, la corriente tiene que rodear la estructura por ambos lados, sin embargo, este fenómeno no siempre ocurre simultáneamente: es muy frecuente que uno de los lados se retrase respecto al otro. El resultado es un patrón alternado de vórtices que al desprenderse de la estructura ejercen fuerzas a diferentes frecuencias que puede producir vibraciones sobre la estructura.

Si bien este es un fenómeno natural común (los tallos y ramas de árboles oscilan ante corrientes persistentes de aire), su fuerza en un entorno oceánico puede desgastar soportes cilíndricos de acero o las cuerdas de amarre que sujetan las plataformas petrolíferas submarinas; o si se tiene una fuerte corriente de viento, se puede llegar a derribar estructuras: uno de los casos más representativos es el puente de Tacoma Narrows, construido en Washington, Estados Unidos, y que en 1940 se derrumbó a causa de la fatiga estructural que los vórtices generados por las grandes corrientes de viento produjeron en él. Sin embargo, desde hace décadas, este fenómeno se estudia para aprovechar esta energía y transformarla en una fuente que puede abrir paso al desarrollo de nuevos dispositivos para generar electricidad libre de emisiones, minimizando el impacto ambiental.

De los molinos a los generadores sin aspas.

La energía eólica se utiliza desde hace siglos y ha permitido el desarrollo de diferentes sociedades; en la actualidad, es crucial en la transición a las energías renovables. Pese a sus ventajas, la energía eólica enfrenta fuertes críticas que van desde el monopolio de las empresas que instalan los parques eólicos, hasta las alteraciones del paisaje y de la dinámica de las comunidades donde se asientan.

Las turbinas cada vez son más altas y las aspas de estos generadores pueden alcanzar longitudes de hasta 250 metros. Cuando hay vientos fuertes, los niveles de ruido de los aerogeneradores pueden llegar a ser del doble de lo recomendado por la Organización Mundial de la Salud (45 decibeles). Otra preocupación se centra en los impactos ambientales como las afectaciones al suelo por los cimientos de hormigón, hasta la pérdida de especies como aves y murciélagos que chocan contra las aspas.

Es por ello que desde 2016, un equipo multidisciplinario comenzó a trabajar con la empresa española Vortex-Bladeless para desarrollar generadores de energía haciendo uso de las VIV. El objetivo es desarrollar aerogeneradores sin palas bajo el nombre de Vortex o aerogenerador de vorticidad, tratando de eliminar o reducir muchos de los problemas existentes en los generadores convencionales. Se busca que su diseño sea sencillo, con una sola estructura que facilite su fabricación, transporte, almacenamiento e instalación.

Super computo y modelación: ¿Cómo se llevaron a cabo los experimentos para apoyar el desarrollo de VORTEX?

Para comprender la dinámica del fenómeno VIV, se ha avanzado tanto experimental como numéricamente, y para ello se desarrollaron modelos matemáticos que permiten predecir los patrones del flujo de fluidos en diferentes situaciones.

Se buscaron alternativas como la simulación numérica en donde un programa ejecutado por una serie de computadoras interconectadas, se encargan de analizar los posibles resultados. Para el Vortex es necesario resolver la interacción fluido-estructura, y para ello se utilizó una aproximación multicódigo escalonada en la que un código se encarga de la simulación del flujo de fluidos y otro código se encarga de la simulación de la dinámica de los sólidos. En esta etapa el proyecto de Vortex utilizó el código Alya, desarrollado en el Centro de Supercómputo de Barcelona; la Asociación para la Computación Avanzada en Europa (PRACE) fue de gran ayuda para adaptar el código Alya que se utiliza para realizar simulaciones del problema de Interacción Fluido-Estructura para un dispositivo experimental a escala sin palas, y realizar una comparación entre los resultados numéricos y los experimentales.

Al comparar los datos recabados por la simulación numérica y los datos experimentales los resultados fueron muy buenos, con errores relativos máximos inferiores al 10%, y aún se pueden realizar mejoras al código para aumentar la precisión. La empresa Vortex-Bladeless trabaja para llevar el generador de energía eólica sin palas a escala real y ofrecer una herramienta de producción de energía renovable alternativa.

Este tipo de colaboraciones para el desarrollo de nuevos dispositivos de generación de energía es fundamental y completamente pertinente en estos momentos donde la crisis medioambiental está alcanzando puntos irreversibles. En la investigación y la comprensión de la naturaleza hay un faro de esperanza.

Bibliografía.

Cajas, J. C., Houzeaux, G., Yáñez., D. J., & Mier-Torrecilla, M. (2016). SHAPE Project Vortex Bladeless: Parallel multi-codecoupling for Fluid-Structure Interaction in Wind Energy Generation.

Cajas, J. C., Pastrana, D., Rodriguez, I., Lehmkuhl, O., Houzeaux, G., Vazquez, M., & Treviño, C. (2021). Vortex induced vibrations of a pivoted finite height cylinder at low Reynolds number. Physics of Fluids, (33). https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0051689

Juan Carlos Cajas* es doctor en Ciencias Físicas por la UNAM y desarrolla herramientas numéricas para problemas multifísica acoplados en entornos de cómputo de alto rendimiento (HPC), especialmente enfocados a la interacción fluido-estructura en flujos turbulentos, aerodinámica y aplicaciones biomecánicas. carlos.cajas@enesmerida.unam.mx

Xiomara Ancona Diaz* es alumna de la Licenciatura en Desarrollo y Gestión Intercultural y prestadora de Servicio Social en el Departamento de Divulgación de la ENES Mérida en el proyecto Cultura y apropiación social del conocimiento.

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Hana Sakuma: @hana.sakuma.art.living