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La ingeniería eólica es un subconjunto de la ingeniería mecánica , la ingeniería estructural , la meteorología y la física aplicada que analiza los efectos del viento en el entorno natural y construido y estudia los posibles daños, inconvenientes o beneficios que pueden resultar del viento. En el campo de la ingeniería incluye vientos fuertes, que pueden causar malestar, así como vientos extremos, como en un tornado , huracán o tormenta fuerte , que pueden causar una destrucción generalizada. En los campos de la energía eólica y la contaminación del aire. también incluye vientos bajos y moderados, ya que son relevantes para la producción de electricidad y la dispersión de contaminantes.

La ingeniería eólica se basa en la meteorología , la dinámica de fluidos , la mecánica , los sistemas de información geográfica y una serie de disciplinas de ingeniería especializadas, incluidas la aerodinámica y la dinámica estructural . [1] Las herramientas utilizadas incluyen modelos atmosféricos , túneles de viento de la capa límite atmosférica y modelos de dinámica de fluidos computacionales .

La ingeniería eólica comprende, entre otros temas:

  • Impacto del viento en estructuras (edificios, puentes, torres)
  • Comodidad del viento cerca de los edificios
  • Efectos del viento en el sistema de ventilación de un edificio
  • Clima eólico para energía eólica
  • Contaminación del aire cerca de edificios.

Los ingenieros estructurales pueden considerar que la ingeniería eólica está estrechamente relacionada con la ingeniería sísmica y la protección contra explosiones .

Algunos estadios deportivos como Candlestick Park y Arthur Ashe Stadium son conocidos por sus vientos fuertes, a veces arremolinados, que afectan las condiciones de juego.

Historia [ editar ]

La ingeniería eólica como disciplina separada se remonta al Reino Unido en la década de 1960, cuando se llevaron a cabo reuniones informales en el Laboratorio Nacional de Física , el Building Research Establishment y en otros lugares. El término "ingeniería eólica" se acuñó por primera vez en 1970. [2] Alan Garnett Davenport fue uno de los contribuyentes más destacados al desarrollo de la ingeniería eólica. [3] Es bien conocido por desarrollar la cadena de carga de viento de Alan Davenport o, en resumen, la "cadena de carga de viento" que describe cómo los diferentes componentes contribuyen a la carga final calculada en la estructura. [4]

Cargas de viento en edificios [ editar ]

El diseño de los edificios debe tener en cuenta las cargas de viento, que se ven afectadas por la cizalladura del viento . Para fines de ingeniería, un perfil de velocidad del viento según la ley de potencia puede definirse como: [5] [6]

dónde:

= velocidad del viento en altura
= viento de gradiente a altura de gradiente
= coeficiente exponencial


Por lo general, los edificios están diseñados para resistir un viento fuerte con un período de retorno muy largo, como 50 años o más. La velocidad del viento de diseño se determina a partir de registros históricos utilizando la teoría de valores extremos para predecir velocidades extremas del viento en el futuro. Las velocidades del viento generalmente se calculan en base a algún estándar o estándares de diseño regionales. Los estándares de diseño para la construcción de cargas de viento incluyen:

  • AS 1170.2 para Australia
  • EN 1991-1-4 para Europa
  • NBC para Canadá

Comodidad del viento [ editar ]

El advenimiento de los bloques de torres de gran altura generó preocupaciones con respecto a las molestias causadas por el viento que causan estos edificios a los peatones en sus alrededores.

A partir de 1971 se desarrollaron varios criterios de confort del viento y peligro del viento, basados ​​en diferentes actividades peatonales, tales como: [7]

  • Sentado durante un largo período de tiempo
  • Sentado por un corto período de tiempo
  • Vagante
  • Caminando rapido

Otros criterios clasificaron un entorno eólico como completamente inaceptable o peligroso.

Las geometrías de edificios que constan de uno y dos edificios rectangulares tienen una serie de efectos bien conocidos: [8] [9]

  • Corrientes de esquina, también conocidas como chorros de esquina, alrededor de las esquinas de los edificios
  • Flujo de paso, también conocido como chorro de paso, en cualquier paso a través de un edificio o un pequeño espacio entre dos edificios debido a un cortocircuito de presión
  • Derramamiento de vórtices a raíz de los edificios

Para geometrías más complejas, se requieren estudios de confort del viento para peatones. Estos pueden utilizar un modelo a escala adecuada en un túnel de viento de capa límite o, más recientemente, ha aumentado el uso de técnicas de dinámica de fluidos computacional . [10] Las velocidades del viento a nivel de peatones para una probabilidad de excedencia dada se calculan para permitir estadísticas regionales de velocidades del viento. [11]

El perfil de viento vertical utilizado en estos estudios varía según el terreno en las proximidades de los edificios (que puede diferir según la dirección del viento) y, a menudo, se agrupa en categorías, tales como: [12]

  • Terreno abierto expuesto con pocas o ninguna obstrucción y superficies de agua a velocidades de viento de servicio
  • Superficies de agua, terreno abierto, pastizales con pocas obstrucciones bien dispersas que tienen alturas generalmente de 1,5 a 10 m
  • Terreno con numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas de 3 a 5 m de altura, como áreas de viviendas suburbanas
  • Terreno con numerosos obstáculos grandes, altos (de 10 a 30 m de altura) y poco espaciados, como grandes centros urbanos y complejos industriales bien desarrollados

Turbinas de viento [ editar ]

Los aerogeneradores se ven afectados por la cizalladura del viento. Los perfiles verticales de velocidad del viento dan como resultado diferentes velocidades del viento en las palas más cercanas al nivel del suelo en comparación con las que se encuentran en la parte superior del recorrido de las palas, y esto, a su vez, afecta el funcionamiento de la turbina. [13] El gradiente del viento puede crear un gran momento de flexión en el eje de una turbina de dos palas cuando las palas están verticales. [14] El gradiente de viento reducido sobre el agua significa que se pueden utilizar torres de turbinas eólicas más cortas y menos costosas en mares poco profundos. [15]

Para la ingeniería de turbinas eólicas, la variación de la velocidad del viento con la altura a menudo se aproxima utilizando una ley de potencia: [13]

dónde:

= velocidad del viento en altura [m / s]
= velocidad del viento a una altura de referencia [m / s]
= Exponente de Hellman (también conocido como exponente de la ley de potencia o exponente de corte) (~ = 1/7 en flujo neutro, pero puede ser> 1)

Importancia [ editar ]

El conocimiento de la ingeniería eólica se utiliza para analizar y diseñar todos los altos edificios, cable- puentes colgantes y puentes atirantados , torres de transmisión eléctrica y torres de telecomunicaciones y todos los otros tipos de torres y chimeneas. La carga de viento es la carga dominante en el análisis de muchos edificios altos, por lo que la ingeniería eólica es esencial para su análisis y diseño. Una vez más, la carga de viento es una carga dominante en el análisis y diseño de todos los puentes de cables de grandes luces .

Ver también [ editar ]

  • Ingeniería de huracanes
  • John Twidell
  • Control de vibraciones
  • Prueba de túnel de viento
  • Asociación Mundial de Energía Eólica

Referencias [ editar ]

  1. ^ Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (18 de abril de 2017). "Construcción de un parque eólico digital" . Archivos de métodos computacionales en ingeniería . 25 (4): 879–899. doi : 10.1007 / s11831-017-9222-7 . ISSN  1134-3060 . PMC  6209038 . PMID  30443152 .
  2. ^ Cochran, Leighton; Derickson, Russ (abril de 2011). "Vista de un modelador físico de la ingeniería eólica computacional". Revista de Ingeniería Eólica y Aerodinámica Industrial . 99 (4): 139-153. doi : 10.1016 / j.jweia.2011.01.015 .
  3. ^ Solari, Giovanni (2019). Ciencia e ingeniería eólica: orígenes, desarrollos, fundamentos y avances . Springer Tracts en Ingeniería Civil. Cham: Springer International Publishing. doi : 10.1007 / 978-3-030-18815-3 . ISBN 978-3-030-18814-6.
  4. ^ Isyumov, Nicholas (mayo de 2012). "La marca de Alan G. Davenport en la ingeniería eólica". Revista de Ingeniería Eólica y Aerodinámica Industrial . 104-106: 12-24. doi : 10.1016 / j.jweia.2012.02.007 .
  5. ^ Crawley, Stanley (1993). Edificios de acero . Nueva York: Wiley. pag. 272. ISBN 978-0-471-84298-9.
  6. ^ Gupta, Ajaya Kumar y Peter James Moss (1993). Directrices para el diseño de edificios de poca altura sometidos a fuerzas laterales . Boca Ratón: CRC Press. pag. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.
  7. ^ Comodidad del viento de los peatones alrededor de los edificios: comparación de los criterios de comodidad del viento. Tabla 3
  8. ^ Comodidad del viento de los peatones alrededor de los edificios: comparación de los criterios de comodidad del viento. Figura 6
  9. ^ Efectos del viento en los peatones. figura 3
  10. ^ Directrices AIJ para aplicaciones prácticas de CFD en entornos eólicos peatonales alrededor de edificios
  11. ^ Entorno de viento peatonal alrededor de edificios. p112
  12. ^ AS / NZS 1170.2: Acciones de diseño estructural 2011 Parte 2 - Acciones de viento. Sección 4.2
  13. ↑ a b Heier, Siegfried (2005). Integración a la Red de Sistemas de Conversión de Energía Eólica . Chichester: John Wiley & Sons. pag. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
  14. ^ Harrison, Robert (2001). Grandes aerogeneradores . Chichester: John Wiley & Sons. pag. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
  15. ^ Lubosny, Zbigniew (2003). Operación de aerogeneradores en sistemas de energía eléctrica: Modelado avanzado . Berlín: Springer. pag. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

Enlaces externos [ editar ]

  • Mapa básico de velocidades del viento (EE. UU.)
  • Calculadora de carga de viento (procedimiento de envolvente)
  • "Cómo los edificios altos domestican el viento" . El B1M . 12 de septiembre de 2018 - a través de YouTube .