Una herramienta de co-simulación para el estudio de cosechadores piezoaeroelásticos de energía basados en flutter

Abstract

El término cosecha piezoaeroelástica de energía se refiere al proceso de conversión de la energía eólica que rodea a un sistema en electricidad a través del uso de transductores piezoeléctricos. Es bien conocido que una estructura flexible inmersa en una corriente de aire puede experimentar respuestas no lineales de origen aeroelástico, tales como bifurcaciones y/o oscilaciones de ciclo límite asociadas al fenómeno de flutter. Respuestas de esta naturaleza han sido catalogadas como potencialmente destructivas en estructuras de gran envergadura debido a sus elevados niveles de vibración. Sin embargo, desde un nuevo enfoque han sido propuestas como una de las fuentes de energía más prometedoras para sistemas de pequeña escala. En este sentido, si el dispositivo de cosecha de energía o su estructura portante se sumergen en una corriente de aire las cargas aerodinámicas actuantes inducen deformaciones sobre los transductores que, debido al efecto piezoeléctrico directo, producen una diferencia de potencial entre sus electrodos. Para cuantificar la energía eléctrica recolectada es habitual conectar un circuito eléctrico entre dichos electrodos. En esta tesis doctoral se desarrolla una herramienta computacional bajo un abordaje de co-simulación que está destinada a la realización de simulaciones numéricas para el estudio de cosechadores piezoeléctricos de energía sujetos a vibraciones de origen aeroelástico, especialmente, aquellas que provienen del fenómeno flutter. Dada la naturaleza multifísica del problema, se desarrolla un modelo electroelástico, se adopta un modelo aerodinámico y se desarrolla un método de interacción que favorezca el intercambio de información entre los dos primeros. Cada modelo constituye un módulo independiente dentro del software, lo que propicia su modificación o la incorporación de otros. El modelo electroelástico consiste en una formulación tridimensional de elementos finitos de viga piezoeléctrica que se sustenta en las hipótesis de la teoría clásica de Timoshenko e incorpora, de modo consistente, las no linealidades geométricas de Von Kármán para contemplar deformaciones moderadas. El modelo aerodinámico adoptado es una versión no lineal e inestacionaria del método de la red de vórtices, el cual se basa en distribución de singularidades sobre superficies sólidas, considera flujo incompresible y levemente viscoso a elevado número de Reynolds. El método de interacción implementado se caracteriza como fuerte. Esto obedece a que, a pesar de que cada modelo avanza en el dominio temporal con un paso de integración propio, la transferencia de información entre los modelos previos es bidireccional y tiene lugar en cada uno de estos pasos. Los modelos involucrados permiten captar fenómenos electroaeroelásticos subcríticos, así como comportamientos críticos y poscríticos típicos de la dinámica no lineal. Las ecuaciones de gobierno se integran numéricamente, simultáneamente e interactivamente en el dominio del tiempo empleando un esquema que se basa en un método predictor-corrector de cuarto orden. Finalmente, se presentan casos de estudio para validar y/o verificar la herramienta, como también mostrar su potencialidad y versatilidad.