Estudio de las características del viento y su influencia sobre tecnologías de energías renovables instaladas sobre las cubiertas de las edificaciones del Instituto Tecnológico de Santo Domingo mediante métodos CFD

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(1)Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial. Trabajo De Diploma Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA) Título: Estudio de las características del viento y su influencia sobre tecnologías de energías renovables instaladas sobre las cubiertas de las edificaciones del Instituto Tecnológico de Santo Domingo mediante métodos CFD. Autor: Hector Eugenio Baracaldo Alba Tutor: Dr. Ernesto Yoel Fariñas Wong Asesor: Msc. Javier Cabeza Ferreira Curso: 2016 – 2017.

(2) Pensamiento “Si tú llamas experiencias a tus dificultades y recuerdas que cada experiencia te ayuda a madurar, vas a crecer vigoroso y feliz, no importa cuán adversas parezcan las circunstancias.” Henry Miller, escritor estadounidense.

(3) Dedicatoria A mi abuela Juana por ser mi madre y mi padre desde que nací, por sus consejos y apoyo incondicional en los momentos malos y buenos. A mis tíos Rigoberto y Loreto que Dios los tenga en la gloria, por haber sido mis padres de crianza. A mis padres por apoyarme en cada decisión que he tomado en la vida. A la compañera Elia Teresa por soportarme todos estos años y por cuidar de mí A las personas Maida Acosta y Orelbis Rubén por cuidar de mí desde el momento en que nos conocimos. A mi gran Familia que de un modo u otro me apoyaron en todo momento..

(4) Agradecimiento A mis primos Ramoncito, Carlos, Mario Raúl, Mariano y Yandy, por no apartarme de sus vidas en mis cinco años de estudios en la Universidad y por sus consejos A Elita, Orelbis y Maida por hacer realidad este sueño, y por incluirme en su familia. A mis amigos del barrio: Abdel, Adito, José (el niño), a Roberto (el chiqui), por apoyo en mi estancia en Sta. Clara. A mis amigos de la UCLV: Adrián, Alain, William, Jairo, Jorgito, Yisel, Delia, Rachel, Yanelys y a todos mis compañeros de clases, gracias por su apoyo. A mi tutor Ernesto por sus consejos y exigencias en la investigación científica. A Javier Cabeza por su ayuda en la realización de esta Tesis. A todas aquellas personas que me ayudaron y me apoyaron en la realización de esta investigación. Muchas Gracias Hector Eugenio Baracaldo Alba.

(5) Resumen En la presente investigación discute la utilización de los softwares de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta para evaluar el comportamiento del viento en el Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC) para determinar el efecto que pueda tener sobre tecnologías de energía renovables. El análisis de parámetros como líneas de corrientes y vectores de velocidades, sus direcciones y contornos de presiones en el dominio computacional, permite tener criterios acerca de la acción del viento con el parque fotovoltaico, así como para la instalación de otras tecnologías de energías renovables en un futuro, definiendo las regiones con mejores condiciones. El autor realizó un estudio de antecedentes de trabajos sobre modelaciones del viento en un entorno urbano en busca de criterios a tener en cuenta para el desarrollo de la investigación. Para la realización de los ensayos numéricos se utilizó el software ANSYS 16.1-FLUENT, el cual se seleccionó bajo el criterio de sus potencialidades de cálculo, así como de la estrategia del mismo en la resolución de problemas de mecánica de los fluidos. Para las modelaciones numéricas no se consideran las características del terreno, y sí las velocidades predominantes y los rumbos donde se registraban las mayores frecuencias de incidencias, se realizaron 3 ensayos bajo estas condiciones, bajo el modelo de turbulencia de ReNormalización de Grupo k-ε (RNG k-ε). Se presenta el análisis solo para una dirección y tres diferentes velocidades del viento, se comprobó la viabilidad que tienen varios lugares en la zona de estudio donde se puede instalar pequeñas máquinas eólicas, así como el efecto que tiene la acción del viento sobre los paneles solares instalados..

(6) Summary In the present research, we discuss the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) software as a tool to evaluate wind behavior at the Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC) to determine the effect it may have on renewable energy technologies. The analysis of parameters such as lines of currents and velocity vectors, their directions and pressure contours in the computational domain, allows to have criteria about the wind action with the photovoltaic park as well as for the installation of other technologies of renewable energies in a future, defining the regions with better conditions. The author carried out a background study of works on wind modeling in an urban environment in search of criteria to be taken into account for the development of the research. ANSYS 16.1-FLUENT software was used to carry out the numerical tests, which was selected according to its computational potential as well as its strategy in solving problems of fluid mechanics. For the numerical modeling we do not consider the terrain characteristics, but the predominant speeds and the bearings where the highest incidence frequencies were recorded, three trials were carried out under these conditions, under the model of Re-Normalization turbulence of Group k- Ε (RNG k-ε). The analysis is presented only for one direction and three different wind speeds, it was verified the viability of several places in the study area where small wind machines can be installed, as well as the effect that the wind has on the solar panels Installed..

(7) Índice Introducción .................................................................................................................................... 1 Capítulo I: Evaluación del comportamiento del viento en ciudades ......................................... 5 1.1-. Introducción ..................................................................................................................... 5. 1.2-. Caso estudio Instituto Tecnológico de Santo Domingo ................................................ 5. 1.3-. Contexto actual de la energía eólica ............................................................................... 7. 1.4-. Aerogeneradores pequeños. ............................................................................................ 9. 1.4-1.. Pequeños aerogeneradores en la actualidad. ......................................................... 9. 1.5-. Características del viento en zonas urbanas ............................................................... 11. 1.6-. Herramientas de estimación del potencial eólico en entornos urbanos….. .............. 12. 1.7-. Metodología aplicada por el CFD. ............................................................................... 13. 1.7-1.. Pre-Procesamiento ................................................................................................. 13. 1.7-2.. Procesamiento ......................................................................................................... 13. 1.7-3.. Post-Procesamiento ................................................................................................ 14. 1.8-. Fundamentación matemática de los softwares CFD .................................................. 14. 1.9-. Experiencias adquiridas con uso de las herramientas CFD ...................................... 15. 1.9-2.. Caso Huesca ............................................................................................................ 18. 1.9-3.. Caso Rotterdam ...................................................................................................... 19. 1.9-4.. Caso Barcelona ....................................................................................................... 20. 1.10- Conclusiones Parciales .................................................................................................. 23 Capítulo II: Procedimiento para realizar el ensayo numérico ................................................. 24.

(8) 2.1-. Introducción ................................................................................................................... 24. 2.2-. Módulos FLUENT y CFX ............................................................................................. 24. 2.2-. Metodología de trabajo con ANSYS 16.1 .................................................................... 25. 2.2-2.. Modelo Geométrico de INTEC ............................................................................. 27. 2.2-3.. Discretización del dominio mediante ANSYS Meshing ...................................... 28. 2.2-4.. Condiciones de contorno ........................................................................................ 30. 2.2-5.. Etapa de solución .................................................................................................... 32. 2.3-. Conclusiones parciales .................................................................................................. 35. Capítulo III: Análisis de los resultados del ensayo numérico .................................................. 36 3.1-. Introducción ................................................................................................................... 36. 3.2-. Análisis de convergencia ............................................................................................... 36. 3.3-. Análisis de los resultados .............................................................................................. 38. 3.3-1. 3.4-. Evaluación del comportamiento del viento en INTEC ....................................... 39. Comparación de los resultados ..................................................................................... 57. Conclusiones generales ................................................................................................................ 59 Recomendaciones ......................................................................................................................... 61 Bibliografía ................................................................................................................................... 62 Anexos ........................................................................................................................................... 64.

(9) Índice de figuras Figura 1.1: Ubicación del Instituto Tecnológico de Santo Domingo. .............................................. 6 Figura 1.2. Paneles fotovoltaicos instalados en la azotea de INTEC ............................................... 6 Figura 1.3. Anemómetros de veleta instalados en la superficie del techo de INTEC ...................... 7 Figura 1.4. Potencia Instalada a nivel mundial 2001-2016 (Fuente: GWEC, 2017)........................ 8 Figura 1.5. Barhain World Trade Centre (Fuente: http://www.bahrainwtc.com) .......................... 10 Figura 1.6. Localización de la estación A. Herrera (Fuente: www.googlemaps.com) .................. 12 Figura 1.7: Gráfica ilustrativa del avance de las etapas de desarrollo de la metodología CFD. .... 13 Figura 1.8. Malla obtenida por Aro (2014). ................................................................................... 16 Figura 1.8. Líneas de corrientes de velocidad obtenidas por Aro (2014) ...................................... 17 Figura 1.9. Discretización obtenida de la zona de estudio ............................................................. 18 Figura 1.10. Zona de estudio de (Montazeri et al., 2017): a) imagen de la zona objeto de estudio y b) malla obtenida. ........................................................................................................................... 19 Figura 1.11. Resultados de la simulación (Montazeri et al., 2017) para: a) la velocidad del viento (m / s) a 1 metro de altura; y b) temperatura de la superficie (° C) para julio 15 2006, 10:00 h. Ambos puntos de vista son del sur. ................................................................................................ 20 Figura 1.12. Edificios y topografía obtenida en (Caniot et al., 2016) ............................................ 21 Figura 1.13. Imagen satelital del lugar donde se ubicó el mástil. (https://www.google.com.cu/maps) ............................................................................................... 21 Figura 2.1. Ventana de inicio de ANSYS 16.1 .............................................................................. 26 Figura 2.2. Módulo FLUENT de análisis de flujo: a) Cuando se inserta desde la barra de herramienta. b) Cuando son insertados por separados. .................................................................. 26 Figura2.3. Geometría construida en SolidWork 2016.................................................................... 27 Figura 2.4. Representación del dominio y la geometría importada al ANSYS. ............................ 28 Figura 2.5. Árbol de jerarquías y barra de propiedades. ................................................................ 29 Figura 2.6. Comparación entre los 4 tipos de mallas posibles de generar con ANSYS Meshing, a) Hexaédrica, b) Prismática, c) Piramidal, d) Tetraédrica. ............................................................... 29 Figura 2.7. Discretización de la geometría y el dominio por defecto del programa. ..................... 30 Figura 2.8. Discretización obtenida a través de elementos locales ................................................ 30 Figura 2.9. Delimitaciones de del dominio elaborado. .................................................................. 31 Figura 2.10. Ventana de trabajo del módulo Fluent. ...................................................................... 31 Figura 2.11. Ficha “General” ......................................................................................................... 33 Figura 2.12. Ficha de selección del modelo de turbulencia ........................................................... 34 Figura 2.13. Introducción del número de iteraciones en el Fluent. ................................................ 34 Figura 3.1. Criterio Scaled Residuals de convergencia para 700 iteraciones para 3,5 m/s de velocidad del viento. ...................................................................................................................... 36 Figura 3.2. Criterio Scaled Residuals de convergencia para 700 iteraciones para 2,5 m/s de velocidad del viento ....................................................................................................................... 37.

(10) Figura 3.3. Criterio Scaled Residuals de convergencia para 700 iteraciones para 2,5 m/s de velocidad del viento ....................................................................................................................... 37 Figura 3.4. Representación de los edificios que se van analizar. ................................................... 38 Figura 3.5. Campo de vectores de velocidad que inciden en INTEC para una velocidad de 2,5 m/s. ................................................................................................................................................. 39 Figura 3.6. Campo de vectores obtenido para la simulación con una velocidad de 3,5 m/s del viento. ............................................................................................................................................. 40 Figura 3.7. Campo de vectores para una velocidad de 3,6 m/s ...................................................... 40 Figura 3.8. Plano vertical de contorno de velocidad: a) edificio E1; b) edificio E2 ...................... 42 Figura 3.9. Plano vertical de contorno de velocidad: a) edificio E1; b) edificio E2 ...................... 42 Figura 3.10. Contorno de velocidad en los planos verticales: a) edificio E1; b) edificio E2 ......... 43 Figura 3.11. Contorno de velocidad en los planos verticales: a) edificio E3; b) edificio E4 ......... 44 Figura 3.12. Contorno de velocidad en los planos verticales: a) edificio E2; b) edificio E1 ......... 45 Figura 3.13. Contorno de velocidad en los planos verticales: a) edificio E2; b) edificio E1 ......... 46 Figura 3.14. Vista aérea de las líneas de corrientes de velocidad. ................................................. 47 Figura 3.15. Zoom sobre el edificio de Post-Grado con un plano vertical para el análisis de la turbulencia. ..................................................................................................................................... 47 Figura 3.16. Acercamiento al edificio de medicina con un plano vertical con líneas de corrientes de velocidad.................................................................................................................................... 48 Figura 3.17. Acercamiento al edificio E3 con plano de líneas de corrientes de velocidad. ........... 49 Figura 3.18. Zoom en la zona donde ese encuentra ubicado el edifico de Odontología. ............... 50 Figura 3.19. Vista aérea de las líneas de corrientes de velocidad .................................................. 50 Figura 3.20. Zoom sobre el edificio de Post-Grado con un plano vertical para el análisis de la turbulencia. ..................................................................................................................................... 51 Figura 3.21. Acercamiento al edificio E1 con un plano vertical con líneas de corrientes de velocidad. ....................................................................................................................................... 52 Figura 3.22. Acercamiento al edificio E3 con plano vertical de líneas de corrientes de velocidad. ........................................................................................................................................................ 53 Figura 3.24. Zoom en la zona donde ese encuentra ubicado el edifico de Odontología. ............... 53 Figura 3.25. Representación de las líneas de corriente de velocidad. ............................................ 54 Figura 3.26. Plano vertical que contiene líneas de corrientes de velocidad sobre E2 .................... 55 Figura 3.27. Representación de las líneas de corrientes en un plano vertical sobre E1. ................ 55 Figura 3.28. Líneas de corriente de velocidad entre los edificios E1 y E4. ................................... 56 Figura 3.30. Representación de las líneas de corriente de velocidad sobre E3. ............................. 57.

(11) Introducción La generación de la energía eléctrica a través de los combustibles fósiles está llevando al límite al planeta, por la alta contaminación ambiental que esto trae consigo. Por lo que la humanidad está apostando por fuentes de energía renovable, no solo los países desarrollados, sino también en países subdesarrollados y en vías de desarrollo, están impulsando programas para su estudio y aplicación. Una de las vías para generar energía limpia, es explotando las fuentes de energía renovables existente en el mundo. La energía eólica es una forma de energía limpia que utiliza una fuente energética gratuita y renovable, el viento. Posee la capacidad inagotable para producir trabajo en forma de movimiento y es una de las fuentes de energías renovables con mayor potencial de aplicación a corto plazo debido a un cuando el viento es irregular y disperso, contiene enormes cantidades de energía. Esta es una fuente valiosa para reducir emisiones de dióxido de carbono y la dependencia de combustibles fósiles. La energía eólica tiene un enorme potencial en América Latina. Con su relativamente baja densidad de población, grandes distancias y necesidades de energía en lugares remotos, América Latina ofrece un entorno ideal para aprovechar la energía del viento. La energía eólica es más fácil de adaptar a gran escala que la energía solar: en comparación con los paneles solares o concentradores solares, las turbinas eólicas generan más electricidad con respecto al área que ocupan, y esta diferencia as cada vez mayor, a medida que los aerogeneradores aumentan de tamaño y eficiencia. Por lo tanto, la energía eólica puede ser una tecnología más apropiada en zonas aisladas con necesidades energéticas importantes (Rufín, 2015). El viento no solo puede aprovecharse como recurso energético a gran escala mediante la utilización de grandes máquinas como comúnmente se suele hacer, sino que también mediante el empleo de las pequeñas. El uso de esta fuente de energía en ciudades ha surgido en la última década como una posibilidad de aprovechamiento, debido a las ventajas que presenta ante las tecnologías de gran tamaño en plantas aisladas, que generalmente se encuentran a significativas distancias de los consumidores. Sin embargo, su explotación implicando retos importantes para los diseñadores y fabricantes de pequeñas turbinas, debido a las elevadas turbulencias y fuertes rachas a la que están sometidas, condiciones que reducen la captación de energía en el rotor y en el aumento de cargas. 1.

(12) mecánicas en partes y elementos que la componen. Muchas de estas tecnologías no han sido diseñadas para operar bajo estos regímenes de vientos, por lo que su utilización en estos emplazamientos, ha traído el descrédito de muchos modelos, que para otros entornos, funcionan satisfactoriamente, (Cabezas, 2016) La energía eólica domina el crecimiento del sector energético en el mundo y podrá suministrar hasta 20% de la electricidad global en el 2020, según el último informe del Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC, por sus siglas en inglés). La capacidad eólica mundial ha alcanzado en el 2016 los 456 GW, y se espera que llegue a 500 GW al final del año, (Martínez, 2016). República Dominicana (RD) carece de yacimientos petroleros, por lo que tiene que comprar este combustible para la generación de energía eléctrica. De acuerdo con estadísticas de la corporación estatal de empresas eléctricas, el 46,1% de los 1 600 MWh que se generan en el país proviene de termoeléctricas a base de diésel, 39,8% se genera con base en carbón y gas natural y 14,1% mediante hidroeléctricas, (Desarrollo, 2010). El país tiene un potencial de generar 24 600 gigavatios/hora usando el 3% del territorio nacional y usando el 9% tendrá un potencial de 60 000 gigavatios/hora. Estas posibilidades de producir energía mediante energía eólica se contraponen las contaminantes propuestas que han surgido anteriormente de instalar plantas de carbón, las cuales son muy contaminantes y no es que se diferencian mucho en costos de la eólica, (Admin, 2015). Los proyectos realizados en este país llevaron a la construcción de los parques Eólicos de Larimar con capacidad de 49,5 MW y Los Coco-Quilvio Cabrera con una capacidad de generación de 77,2 MW. El Centro de Estudios Energéticos de Tecnologías Ambientales (CEETA), es un departamento de la Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Universidad Central "Marta Abreu” De Las Villas, de Cuba; es un departamento el cual dentro de sus proyectos se encuentran el estudio de la energía eólica en el país. Actualmente se encuentran trabajando con el Instituto Tecnológico de Santo Domingo en el estudio del viento es sus entornos para la posible instalación de una pequeña turbina eólica. La estimación del recurso eólico de una locación es el primer paso para la futura instalación de tecnologías de energía renovables en las cubiertas de las edificaciones, la presente. 2.

(13) investigación analiza algunas variantes para estimar el potencial del viento en el Instituto Tecnológico de Santo Domingo. Normalmente este tipo de proyecto se acomete tomando como referencias los datos meteorológicos del lugar de estudio, o instalando un sistema de anemómetros, para medir las velocidades del viento en diferentes puntos de la estructura donde se quiere instalar tecnologías de energía renovables. Los datos obtenidos se llevan a un laboratorio especializado y se estudia en un túnel de viento construido a escala del lugar de interés para la instalación de las tecnologías, en la presente investigación, no se cuenta un laboratorio de esas características por lo que se acudió al uso de las herramientas computacionales o Computacional Fluid Dynamics (CFD). Para ello, el Departamento cuenta con uno de los softwares más utilizados en el mundo para estudiar el viento, el uso del software ANSYS-16.1 para la modelación numérica de la acción del viento en la zona de estudio y la recopilación de datos de velocidad del viento en el período de 1992-2006 en la estación del Aeropuerto Herrera. Atendiendo a lo expresado anteriormente para determinar el comportamiento del viento en zonas urbanas ante la presencia de obstáculos y en especial las zonas de alta turbulencia del viento en distintos puntos de la geometría es necesario para poder estimar los lugares más convenientes para la instalación de tecnologías de energía renovable en estos emplazamientos. La problemática expresada con anterioridad indica la importancia de continuar investigando en el tema y se plantea como problema científico: Planteamiento del Problema: Se desconoce el comportamiento del viento y el efecto de la turbulencia en el entorno de la zona donde se encuentra ubicado el Instituto Tecnológico de Santo Domingo, para posibles instalaciones de tecnologías de energía renovables. Hipótesis de Investigación: Es posible que a partir de la utilización de ensayos numéricos estimar el comportamiento del viento incidente sobre las estructuras del Instituto Tecnológico de Santo Domingo y así prever los efectos de la acción del viento sobre las tecnologías de energía renovable, turbinas eólicas o paneles solare o calentadores solares, que se instalan en zonas urbanas.. 3.

(14) Objetivo General: Estudiar el comportamiento del viento sobre las edificaciones del Instituto Tecnológico de Santo Domingo mediante el uso de las herramientas de dinámica de fluidos computacional con la finalidad de valorar la instalación de tecnologías de energías renovable en sus cubiertas. Objetivos Específicos:  Analizar la bibliografía acerca de los ensayos numéricos del viento en entornos urbanos con geometrías y características similares a la zona urbana donde se sitúa INTEC.  Establecer a partir del modelo geométrico en formato CAD de SolidWork suministrado por investigadores de INTEC, los parámetros de entrada para los ensayos numéricos en tres dimensiones del entorno del Instituto, así como las condiciones de fronteras y discretización del dominio.  Analizar el comportamiento del viento y sus parámetros característicos que influyen en la instalación de tecnologías de energía renovable en las cubiertas de edificaciones en INTEC, a partir de los ensayos numéricos realizados a la geometría de INTEC y los datos meteorológicos censados por una estación meteorológica cercana.. 4.

(15) Capítulo I: Evaluación del comportamiento del viento en ciudades 1.1-. Introducción. El incremento de la demanda de energía eléctrica en zonas urbanas ha fomentado el desarrollo de nuevas alternativas para la generación de este recurso. El empleo de pequeños aerogeneradores en edificaciones y áreas abiertas, ha surgido como forma de transformación de la energía del viento, en un recurso energético. Es necesario para poder aprovechar esta fuente renovable predecir su comportamiento, el que a su vez es extremadamente complejo en zonas urbanas por la elevada turbulencia, formación de estelas y desprendimiento de capa límite que se generan producto de los obstáculos. En este Capítulo se aborda la energía eólica en su contexto actual, actualidad internacional. Se hace un análisis de casos de estudios realizados en otras ciudades para conocer los softwares que se utilizan para el análisis del potencial eólico, así como tecnologías existentes para la elaboración de la geometría y conocer los modelos de turbulencia que más se utilizan en estas investigaciones. También abordaremos conceptos básicos sobre la metodología a utilizar por el software de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés). Conoceremos a su vez algunas características del lugar de estudio, el cual es Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC), en República Dominicana. 1.2-. Caso estudio Instituto Tecnológico de Santo Domingo. El Instituto Tecnológico de Santo Domingo se encuentra ubicado 18,4881o de latitud Norte y -69,9634o longitud Oeste (DB-City, 2017), en el Distrito Nacional, cuenta con una longitud de 508 m, ubicada cerca de la estatua de José Martí en la Av. De Los Próceres, Santo Domingo. (Figura 1.1). Al este de dicho Centro se encuentra ubicado el Parque Nacional, con una vegetación predominante, lo que obstaculiza el paso del viento. Se encuentra compuesto por nueve edificaciones, de ellos, solo dos poseen la mayor altura con un valor de 22,5 m, ubicado en una pequeña colina dentro de la ciudad de Santo Domingo.. 5.

(16) Figura 1.1: Ubicación del Instituto Tecnológico de Santo Domingo. (Fuente: www.googlemaps.com) En la institución se han realizados otros proyectos sobre el aprovechamiento de la energía renovables, creando un parque fotovoltaico en la superficie exterior de las estructuras (Figura 1.2).. a). b). Figura 1.2. Paneles fotovoltaicos instalados en la azotea de INTEC Los paneles ubicados en el edificio de Ingeniería (Figura 1.2 a), se encuentran inclinados de espalda al viento (están instalados de frente al sur), por lo que se encuentran en la dirección más sensible de verse sometidos al efecto aerodinámico de arrastre ante la acción del viento al ser la dirección norte la predominante en este emplazamiento, porque este los puede volcar. En el edificio de Odontología (Figura 1.2 b) los paneles al igual que en el edificio de Ingeniería, se encuentra ubicados de espalda al viento. En la elaboración de la geometría de la universidad INTEC no se incluyeron los paneles fotovoltaicos en la cubierta exterior. 6.

(17) de dicha Institución. INTEC se encuentra vinculado en investigaciones sobre la estimación del recurso eólico con otras universidades, Universidad de Alberta de Canadá y la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Por lo que se instalaron en el mes de marzo de 2017 dos anemómetros del tipo de veleta marca Young y una estación meteorológica Davis, que contiene veleta de dirección y anemómetro en su sistema, higrómetro y sensores de temperatura y humedad (Figura 1.3). La instalación de estos instrumentos de medición del viento es para establecer un estudio real en dicho Instituto, por lo que los valores recopilados no se utilizaran para la realización de los ensayos numéricos. Con la presente investigación se desea evaluar el potencial eólico incidente en la Institución, como se planteó anteriormente, para obtener los efectos de la turbulencia en las edificaciones, para destacar los lugares donde sean posibles la instalación de las pequeñas turbinas eólicas.. Figura 1.3. Anemómetros de veleta instalados en la superficie del techo de INTEC 1.3-. Contexto actual de la energía eólica. Ante el aumento de la demanda de energía eléctrica, la sobreexplotación de los combustibles fósiles y la contaminación ambiental que estos implican, se ha buscado nuevas alternativas energéticas que sean capaces de disminuir estos impactos. El uso de las fuentes de energías renovables ha surgido como una alternativa viable para darle solución parcialmente a lo planteado anteriormente. La energía eólica es una de las que mayor papel protagónico tiene en la actualidad, su costo puede competir en rentabilidad con otras. 7.

(18) fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón, las centrales termoeléctricas e incluso con la energía nuclear. (Cabezas, 2016) Esta forma de energía, es una fuente valiosa para reducir emisiones de dióxido de carbono y la dependencia de combustibles fósiles. Esta tecnología se ha consolidado en países como España, Alemania, Holanda y los países de Europa del Norte, que son los que tienen más potencia instalada de esta energía. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), esta energía alcanzará el 14% de la producción eléctrica europea en 2030. Además, la AIE también sostiene que esta va a ser la energía que más se desarrollará de aquí al 2050, y posiblemente represente un 60% del incremento en potencia instalada. (Admin, 2015) El 2016 fue un año importante para las energías limpias. Se dieron las mayores incorporaciones a nivel mundial, marcando récords de nuevas instalaciones para la generación eléctrica, y por primera vez el total de inversiones de los países en desarrollo superó al de los industrializados. La energía eólica domina el crecimiento del sector energético en el mundo y podrá suministrar hasta 20% de la electricidad global en el 2020, según el último informe del Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC, por sus siglas en inglés). La capacidad eólica mundial ha alcanzado en el 2016 los 456 GW, y se espera que llegue a 500 GW al final del año, (Martínez, 2016). (Figura 1.4). Figura 1.4. Potencia Instalada a nivel mundial 2001-2016 (Fuente: GWEC, 2017) En República Dominicana existen muchas posibilidades de aprovechar la energía eólica. En 1999, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Estados Unidos realizó un estudio. 8.

(19) de los recursos de viento en el país caribeño. El estudio sostiene que el país tiene un potencial de generar 24 600 GWh usando el 3% del territorio nacional y usando el 9% tendrá un potencial de 60 000 GWh. Estas posibilidades de producir energía mediante energía eólica se contraponen las contaminantes propuestas que han surgido anteriormente de instalar plantas de carbón, las cuales son muy contaminantes y no es que se diferencian mucho en costos de la eólica. Esta tiene rentabilidad en zonas costeras, y regiones como la región noroeste y sur, las cuales tienen vientos potenciales que serían provechosos para producir energía. Además, esta economía verde permite la creación de empleos en las zonas aledañas a los parques eólicos. (Admin, 2015) 1.4-. Aerogeneradores pequeños.. Actualmente existe un interés progresivo por la introducción de la energía eólica en el entorno urbano, por lo que se están desarrollando nuevos tipos de turbinas eólicas, llamadas turbinas urbanas (TU). La apariencia de esas máquinas permite integrarlas en el paisaje urbano sin interferir en él, quedando disimuladas por el propio entorno sin ocupar un espacio exclusivo para ellas. La integración de la energía eólica de pequeña escala en el entorno urbano, se puede ver de tres maneras (Vilchez et al., 2010): 1. Turbinas eólicas integradas a los nuevos edificios. 2. Turbinas eólicas montadas en edificios existentes. 3. Turbinas eólicas en espacios públicos, conocidos como residenciales.. 1.4-1. Pequeños aerogeneradores en la actualidad. En cuanto a la distribución en los distintos sectores de las ciudades, el uso de la energía mini-eólica ha aumentado estos últimos años a escala mundial. Según el informe ‘Small Wind World Report Update 2016, presentado por la Asociación Mundial de Energía Eólica (WWEA), la mini eólica contaba con 830 MW instalados, es decir, un total de 945 000 aerogeneradores pequeños alrededor del mundo a finales de 2014. Esta cifra muestra un incremento del 8,3% respeto 2013, año que contaba con 872 000 aerogeneradores. Los pequeños aerogeneradores, son comúnmente vistos como parte de los paisajes de ciudades, su empleo supone la disminución de los impactos medioambientales provocados por las emisiones de gases contaminantes y el acercamiento de la fuente de generación de. 9.

(20) energía al consumidor. Existen proyectos como el Bahrain WTC Building y Strata Tower (Figura 1.5), que demuestran, ser desafiantes y que su integración a edificaciones se hará más frecuente en un futuro. Ambas instalaciones están provistas de turbinas de eje horizontal HAWT y de eje vertical VAWT. El Centro de Comercio Mundial Bahrein conocido por sus siglas en inglés (BWTC), levanta dos torres de 240 m de altura y unidas entre sí por tres vigas que a su vez soportan en su parte central tres turbinas de eje horizontal (HAWT), con un rotor de 29 m de diámetro de cada una. Ambas edificaciones, fueron posicionadas de manera que su forma geométrica contribuye con el encausamiento del viento y coincide con su dirección predominante, maximizando la captación de energía. Se estima que cubre entre un 11 a un 15 % de la energía demandada por dicho Centro.. Figura 1.5. Barhain World Trade Centre (Fuente: http://www.bahrainwtc.com) Este proyecto, así como otros, demuestran que si es posible la integración de turbinas eólicas a edificaciones y su arquitectura. Desde el punto de vista social también genera impacto positivo, debido a las turbinas de vientos instaladas en zonas urbanas carecen de incentivo por parte de las políticas locales. Sin embargo, para nuevos diseños de edificaciones modernas se pudiera preconcebir la integración no solo de turbinas eólicas, sino también otras fuentes renovables de energía (Cabezas, 2016).. 10.

(21) El autor considera que proyectos así, si es posible la integración de turbinas eólicas a edificaciones y su arquitectura. Desde el punto de vista social también genera impacto positivo, debido a las turbinas de vientos instaladas en zonas urbanas pueden motivar a seguir el desarrollo de esta tecnología que no contamina el ambiente natural del planeta. Pero, para las construcciones de futuras edificaciones, se pudiera introducir en estos diseños nuevos no solo las pequeñas turbinas eólicas sino también otras fuentes de obtención de energía renovables. En la presente investigación se evalúa el recurso eólico en INTEC para de acuerdo a los resultados que se obtengan, destacar los lugares posibles para la instalación de pequeñas turbinas eólicas. 1.5-. Características del viento en zonas urbanas. Un aspecto técnico clave para las turbinas urbanas, es la presencia de la turbulencia en los vientos que circundan los edificios y otros objetos de obra. Las condiciones de generación de energía eólica en entornos urbanos son más complejas que en zonas abiertas, o en las cimas de las montañas, debidos a que la velocidad del viento es más baja y su flujo más turbulento. La eficiencia de la máquina eólica depende de factores como la localización geográfica del edificio, las construcciones que lo rodean y la forma de su tejado. (Moreno, 2010) El viento en las ciudades puede ser estudiado desde varios puntos de vista, de acuerdo a la finalidad del estudio. Autores como Blocken (2009); han obtenido como resultados de sus investigaciones que las condiciones del viento para diferentes entornos urbanos sean orientadas a la sensación térmica, dispersión de contaminantes y ventilación. Las edificaciones pueden provocar el aumento de la velocidad del viento considerablemente, llegando a ser peligroso para la circulación de personas y para la construcción de nuevas edificaciones. (Cabezas, 2016) El comportamiento del viento en localidad de INTEC, es mayormente en dirección norte, de acuerdo a un estudio realizado en el período de 1992-2006 (Anexo 2). Estos datos fueron tomados desde la estación Aeropuerto Herrera (prov. dist. nacional) (Figura 1.6).. 11.

(22) Figura 1.6. Localización de la estación A. Herrera (Fuente: www.googlemaps.com) 1.6-. Herramientas de estimación del potencial eólico en entornos urbanos.. De acuerdo con Paterson (1989) y Mertens (2006) las herramientas de investigación para establecer el comportamiento del viento en entornos urbanos, pueden ser divididas en tres grupos principales:  Modelos matemáticos.  Modelos experimentales.  Herramientas CFD El autor opina que el empleo de las herramientas CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) para el estudio del viento con fines energéticos es el punto de partida para la implementación de proyectos mini eólicos en zonas urbanas y validar los resultados con modelos conocidos. La finalidad de este tipo de software es evaluar la potencia del recurso eólico en un emplazamiento determinado y conocer aspectos del viento tales como la aceleración, el ángulo de incidencia, el perfil vertical o la intensidad de turbulencia ambiental. Estos programas se emplean para la prospección del recurso eólico en las ubicaciones donde no existen datos reales. (Aro, 2014). 12.

(23) 1.7-. Metodología aplicada por el CFD.. Toda solución de un problema simulado con software CFD necesita atravesar tres etapas fundamentales (Figura 1.7); Pre-procesamiento, procesamiento o solución y posprocesamiento (Pre-Processing, Solver, Pos-Processing por sus siglas en ingles).. Figura 1.7: Gráfica ilustrativa del avance de las etapas de desarrollo de la metodología CFD. La etapa de pre-procesamiento es la que define las características generales del problema simulación y requiere un entendimiento y control adecuado del fenómeno de tal modo que se garanticen resultados acertados. (Campos, 2013) 1.7-1. Pre-Procesamiento En esta etapa del desarrollo del problema es preciso atravesar tres momentos fundamentales que satisfacen la etapa de solución: 1. Creación de un modelo CAD del dominio computacional que representa de manera física la situación experimental. Esta geometría es lo que se conoce como Sistema en Termodinámica y que describe visualmente al problema. 2. Generación de la rejilla o malla (Grid) que se ajusta al modelo CAD anterior y según sea el caso estudiado se definen los tipos de mallas que conformaran la geometría. Este paso es fundamental en la obtención de buenos resultados en la solución. 3. Por último, está la definición física de los modelos, propiedades físicas y materiales que componen la simulación, las condiciones de frontera y los parámetros de solución. 1.7-2. Procesamiento El procesamiento trae consigo la solución de las ecuaciones diferenciales parciales que son integradas de manera no interactiva, de tal modo que se aplican leyes de conservación de materia y momento a cada uno de los volúmenes de control que definen la región analizada. Las integrales planteadas son convertidas en un sistema de ecuaciones algebraicas por. 13.

(24) medio de una aproximación de cada uno de los términos presentes en la integral de la cual proviene. El cálculo iterativo, debido a la naturaleza no lineal de estos sistemas, conlleva a la obtención de los resultados que definen las variables en cada uno de los nodos presentes en la malla. (Pradhan, 2009) 1.7-3. Post-Procesamiento La etapa de análisis e interpretación de los resultados obtenidos de la solución son presentados de forma visual sobre el modelo, con herramientas de contorno, líneas de corriente, trayectoria de partícula, campo de vectores y superficies 2D y 3D, de manera que pueden analizarse los dominios para obtener una perspectiva de la solución del problema. (Pradhan, 2009) 1.8-. Fundamentación matemática de los softwares CFD. La resolución numérica de las constantes de Navier-Stokes es el principio de los códigos CFD, tanto para el tratamiento de la información, el procesamiento de datos como para el cálculo que rige el movimiento de fluidos enmarcados en condiciones de contorno definidas, ya sea de flujos laminares o turbulentos. De modo que todos los códigos privados y comerciales o libres de CFD basan su metodología en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes. (Morel, 2015) Continuidad 𝜕(𝜌) 𝜕(𝜌𝑢) 𝜕(𝜌𝑣) 𝜕(𝜌𝑤) + + + =0 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 Momento en ((x; y), z) 𝜕(𝜌) 𝜕(𝜌𝑢) 𝜕(𝜌𝑣) 𝜕(𝜌𝑤) 𝜕𝑝 1 𝜕𝜏𝑥𝑥 𝜕𝜏𝑥𝑦 𝜕𝜏𝑥𝑧 + + + = − + [ + + ] 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝑥 𝑅𝑒 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕(𝜌𝑣) 𝜕(𝜌𝑢𝑣) 𝜕(𝜌𝑣 2 ) 𝜕(𝜌𝑢𝑤) 𝜕𝑝 1 𝜕𝜏𝑥𝑦 𝜕𝜏𝑦𝑦 𝜕𝜏𝑦𝑧 + + + = − + [ + + ] 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝑦 𝑅𝑒 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕(𝜌𝑤) 𝜕(𝜌𝑢𝑤) 𝜕(𝜌𝑣𝑤) 𝜕(𝜌𝑤 2 ) 𝜕𝑝 1 𝜕𝜏𝑥𝑧 𝜕𝜏𝑦𝑧 𝜕𝜏𝑧𝑧 + + + = − + [ + + ] 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝑦 𝑅𝑒 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 Energía. 14.

(25) 𝜕(𝐸𝑡 ) 𝜕(𝑢𝐸𝑡 ) 𝜕(𝑣𝐸𝑡 ) 𝜕(𝑤𝐸𝑡 ) + + + 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 =−. +. 𝜕(𝑢𝑝) 𝜕(𝑣𝑝) 𝜕(𝑤𝑝) 1 𝜕𝑞𝑥 𝜕𝑞𝑦 𝜕𝑞𝑧 − − − [ + + ] 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝑅𝑒 ∗ 𝑃𝑟 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧. 1 𝜕 𝜕 𝜕 [ (𝑢𝜏𝑥𝑥 + 𝑣𝜏𝑥𝑦 + 𝑤𝜏𝑥𝑧 ) + (𝑢𝜏𝑥𝑦 + 𝑣𝜏𝑦𝑦 + 𝑤𝜏𝑦𝑧 ) + (𝑢𝜏𝑥𝑧 + 𝑣𝜏𝑦𝑧 + 𝑤𝜏𝑧𝑧 )] 𝑅𝑒 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧. Ecuación 1: Ecuaciones diferenciales de Navier-Stokes tridimensionales no estacionarias. Tomadas del sitio oficial dela NASA. (Benson, 2012) 1.9-. Experiencias adquiridas con uso de las herramientas CFD. En la actualidad grandes compañías están invirtiendo capital en el desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de las energías renovables, como es el caso del aprovechamiento del recurso eólico, o sea el viento, para la obtención de energía eléctrica. Con los avances de estas tecnologías se ha hecho capaz de llevar las grandes turbinas eólicas o aerogeneradores, a las ciudades y no solo generar electricidad en los grandes parques eólicos, sino también que cada habitante de una ciudad, una institución tenga en su techo una forma de obtener energía sin dañar al medio ambiente. 1.9-1. Experiencia adquirida en el CEETA Proyectos realizados como (Aro, 2014) asesorado por el CEETA, hace el uso de las herramientas CFD, utilizando el software ANSYS-CFX para el estudio del viento en una zona urbana. En este caso de estudio, la obtención de los datos meteorológicos se tomó desde una distancia de 10 km, alejado de la localidad, lo que va a arrojar unos resultados con un alto margen de error en la simulación debido al punto de referencia donde se tomaron los datos. Se utilizó la rosa e los vientos de cada mes, para realizar los ensayos numéricos correspondientes. En este proyecto no se muestra en la geometría elaborada en el software AutoCAD Civil 3D 2013 (Anexo 1), la vegetación presente en la zona en análisis. En su trabajo con el software ANSYS-CFX, la discretización obtenida es una malla estructurada definida por el mismo software (Figura 1.8), lo cual le permitió un consumo menos de memoria y tiempo de cálculo. Se realizaron tres ensayos numéricos con diferentes valores de velocidad del viento. Los resultados obtenidos demostraron los lugares en los cuales se pueden instalar pequeñas turbinas eólicas.. 15.

(26) Figura 1.8. Malla obtenida por Aro (2014). El autor considera que la geometría elaborada por Aro (2014) en AutoCAD Civil 2013, hubiese sido mejor haberla realizado en el propio software ANSYS, para así evitar errores a la hora de discretizar. El modelo de turbulencia seleccionado es el de Modelo de ReNormalización de Grupo k-ε (RNG k-ε). El análisis de los resultados se centró en el campo de vectores de velocidad y de los contornos de velocidad de la zona de estudio, además de las líneas de corrientes de velocidad (Figura 1.8) para determinar donde ocurre mayor turbulencia y se tuvo en cuenta los contornos de presión de la zona. Al concluir en su proyecto se comparan los resultados obtenidos en cuanto a la turbulencia, los contornos de presiones y las velocidades del viento.. 16.

(27) Figura 1.8. Líneas de corrientes de velocidad obtenidas por Aro (2014). 17.

(28) 1.9-2. Caso Huesca En investigaciones como (Aihara et al., 2016), donde se hace uso de las herramientas CFD para la evaluación del recuro eólico en una zona urbana, Huesca en España. El estudio se llevó a cabo con la instalación de un anemómetro ubicado en la azotea de uno de los edificios para la medición del viento, registrando mediciones en intervalos de 10 minutos. En este caso se utilizó el solucionador OpenFOAM y no el software ANSYS, para evaluar el potencial del recurso eólico. Con la obtención de los datos del viento se elaboró una rosa de los vientos para una velocidad media del viento. En este proyecto no se describe en que software fue elaborada la geometría de las estructuras en cuestión. La discretización de la geometría se elaboró en el mismo software, como se muestra en la figura 1.9, además no se menciona que tipo de mallado se obtuvo. Se hacen mención de los modelos de solución numérica como el de Large Eddy Simulation (LES) y Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS), utilizando métodos RANS, pero no especifican con cual ellos trabajaron. No se muestran imágenes de los resultados obtenidos como las líneas de corriente de velocidad, los campos de vectores de velocidad, así como los contornos de presión de y de velocidad.. Figura 1.9. Discretización obtenida de la zona de estudio El OpenFOAM es un software CFD de código abierto para plataforma Linux, que posee amplia documentación y buenos resultados obtenidos por la comunidad científica que lo usa. Presenta la limitante de ser una plataforma de consola, necesitada de programar las soluciones por medio de editores de texto. No es un paquete sólido de instalación, sino que es un software que instala solamente el solucionador, dependiente de otros softwares, instalables desde los repositorios Linux. En el CEETA se intentó utilizar, pero no prosperó. 18.

(29) su uso por el desconocimiento del uso de las plataformas libres. Su adquisición se hizo del sitio oficial del software. (Morel, 2015) 1.9-3. Caso Rotterdam Proyectos como (Montazeri et al., 2017) hace uso de CFD, para obtener como resultado los efectos de enfriamiento de los sistemas de pulverización de agua en los paisajes urbanos. Este proyecto realiza ensayos numéricos de alta resolución aprovechando las herramientas CFD, basándose en las ecuaciones de Navier-Stokes. Los autores realizan una revisión bibliográfica sobre el cambio climático relacionado con las olas de calor que azotan a Europa, además del uso de las herramientas CFD para evaluar el potencial de los sistemas de energía sostenibles y renovables. La construcción de la geometría se elaboró en haciendo uso del software Barcelona Regional, para la construcción de los edificios utilizaron tecnología LiDAR, además, también se utilizó el UrbanWind. Luego de construir la geometría, la dividen en dos partes, donde los edificios se modelaron a una escala real. La discretización del dominio computacional contiene 6 610 456 celdas (Figura 1.10 b), siendo las de menor tamaño las que se encuentran en la zona más interior del área. El modelo de turbulencia utilizado para las modelaciones numéricas, es el k-épsilon (k-ε). Los datos meteorológicos recogidos de Royal Dutch Meteorological Institute (KNMI) a una distancia 4 km al noroeste de Bergpolder Zuid. En los resultados obtenidos se analizaron la temperatura y la velocidad del viento, (Figura 1.11). a). b) Figura 1.10. Zona de estudio de (Montazeri et al., 2017): a) imagen de la zona objeto de estudio y b) malla obtenida.. 19.

(30) a). b). Figura 1.11. Resultados de la simulación (Montazeri et al., 2017) para: a) la velocidad del viento (m / s) a 1 metro de altura; y b) temperatura de la superficie (° C) para julio 15 2006, 10:00 h. Ambos puntos de vista son del sur. El autor entiende que la utilización de tecnología de primera para la elaboración de la geometría de una zona urbana, como la utilización de la LiDAR, hace que sea más fácil la construcción de las zonas más complejas de la geometría. En el Centro de Estudios Energéticos de Tecnologías Ambientales (CEETA) no contamos con esta tecnología para la elaboración de la geometría de INTEC, y no se cuenta, además con software como el UrbanWind. El software resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes a través de una sola ecuación, por lo que se pueden utilizar otro software como el ANSYS, el cual permite elegir varios modelos de turbulencia y así se comparar los resultados obtenidos. 1.9-4. Caso Barcelona En trabajos como (Caniot et al., 2016), donde se hace una evaluación sobre el recurso eólico en la zona Metropolitana de Barcelona, para el despliegue de pequeñas turbinas eólicas para centros urbanos. En el proyecto se describe una metodología para evaluar el potencial del viento en el área. La geometría del lugar de estudio se construyó con la ayuda del software UrbaWind, a diferencia otros trabajos, los cuales han utilizados el software ANSYS, el OpenFOAM, AutoCAD, entro otros. En la elaboración de la geometría se utilizó la tecnología LiDAR, además no se tuvieron en cuenta los obstáculos como la vegetación de la zona (Figura 1.12). Se elaboró un histograma de la velocidad del viento, así como una rosa de los vientos, al colocar un mástil como referencia en Sirena (Figura 1.13). Para la discretización se construyó un dominio de forma cúbica con una distancia 3,4. 20.

(31) km de longitud cada lado. La malla obtenida posee 10 millones de celdas en forma de rectangular, por cada dirección con una resolución de un 1 m, por lo que se necesitaron tres ordenadores con 8 procesadores Intel Xeon 2.4 GHz para reducir el tiempo de cálculo. El software UrbanWind resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes con un modelo de turbulencia de una sola ecuación. En los resultados se obtuvo una media anual de la velocidad del viento.. Figura 1.12. Edificios y topografía obtenida en (Caniot et al., 2016). Figura 1.13. Imagen satelital del lugar donde se ubicó el mástil. (https://www.google.com.cu/maps) En este caso como en el anterior se utilizó la misma tecnología y el mismo software para la evaluación del potencial del viento en una zona urbana. En este caso el autor considera que. 21.

(32) la utilización de la tecnología LiDAR en lugares donde topografía es irregular es muy eficiente a la hora de elaborar la geometría de la zona de estudio y haciendo más fácil la construcción de la misma. En lo que corresponde al uso del modelo de turbulencia, al igual que en el caso anterior este software resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes con un modelo de turbulencia de una sola ecuación, lo que imposibilita la comparación de resultados con el mismo programa para oro modelo.. 22.

(33) 1.10- Conclusiones Parciales 1. Se hace necesario realizar un estudio donde se evalúe el comportamiento del viento en la Universidad de INTEC, donde se conozca los efectos del viento para la instalación de tecnologías de energía renovables. 2. Los modelos de comportamiento del viento en entornos urbanos pueden ser. determinado por métodos numéricos, permitiendo a los investigadores arribar a resultados con gran precisión y además de costos muy bajos contra los ensayos experimentales reales y de túneles de vientos. 3. De acuerdo con los casos analizados por el autor, se decidió optar por trabajar con el. software ANSYS, debido a que en el CEETA no se cuenta con el software UrbanWind, no se posee la tecnología LiDAR para la elaboración de la geometría de la zona y no se utiliza el OpenFOAM por inexperiencia en el Centro, además tampoco se cuenta con túneles de vientos. 23.

(34) Capítulo II: Procedimiento para realizar el ensayo numérico 2.1-. Introducción. A través del análisis de las particularidades de los casos de estudios analizados en el Capítulo anterior, fusionando las experiencias de estos estudios con las adquiridas a través de la bibliografía consultada en pos de obtener una solución para la problemática descrita se da paso al análisis del potencial eólico en INTEC mediante la herramienta determinada por el autor. Este Capítulo analiza dos de los modelos que utiliza ANSYS para la evaluación del recurso eólico y se la selección de uno de ellos para la presente investigación. Los datos de las velocidades del viento que se necesitaron para la investigación se recolectaron en la estación Aeropuerto Herrera ubicado en 18.4720 de latitud Norte y -69.96400 de longitud Oeste. La geometría del Instituto se elaboró en SolidWork 2016 fue suministrada por profesores del INTEC. El proceso de discretización, ensayos numéricos y el análisis de los resultados se desarrollaron en el software ANSYS 16.1. 2.2-. Módulos FLUENT y CFX. Los módulos CFX y Fluent son dos de los más potentes códigos de solución de problemas CFD, cuentan con una interfaz de trabajo fácil e intuitivo permitiendo a los usuarios visualizar en todo tiempo lo que sucede, no presenta ventanas de comando ni es necesario hacer grandes programaciones para solucionar. ANSYS Inc. se adentra en el campo de la CFD al adquirir los códigos comerciales CFX en 2003 y FLUENT en 2006, (Morel, 2015). A continuación, en la tabla 2.1 se realiza una comparación entre estos dos módulos. Tabla 2.1: Comparación entre ANSYS CFX y ANSYS Fluent Aspecto. ANSYS CFX. ANSYS Fluent. Metodología. Metodología de tres partes: pre-. Metodología de tres. procesamiento, solucionador y. partes: pre-procesamiento,. post-procesado (Resultados). solucionador y postprocesado (Resultados). Introducción de. Módulos ANSYS Design Modeler. Módulos ANSYS Design. puntos o nodos. (MD) y ANSYS Meshing (AM). Modeler (MD) y ANSYS. 24.

(35) Meshing (AM) Dominios. Tres Dominios. Un Dominio. Pre-procesado. CFX-Pre. Se integran el pre-. Solucionado. CFX-Solver. Post-procesado. CFX-Post. procesamiento, solucionador y postprocesado (Fluent y CFXPost) Fuente: (Morel, 2015)(Morel, 2015)(Morel, 2015)(Morel, 2015) El repositorio de información del CEETA cuenta con las versiones de ANSYS 12, 13, 14.0, 14.5, 15, 16 y 16.1 para Windows en plataformas de 32 y/o 64 bit y la versión 17 para software Libre Linux. Esta suite se ha adquirido por la vía de sitios de hackers que comparten estas aplicaciones comerciales. Para la realización de este trabajo se decidió utilizar el ANSYS, específicamente en los módulos CFX y Fluent por tener plataformas sólidas capaces de instalarse sin problemas sobre el sistema operativo Windows 8.1 y Windows 10 ambos de 64 bit. Además, se cuenta con experiencias de su aplicación en otros trabajos realizados en él. El autor para esta investigación decidió emplear el módulo Fluent para llevar a cabo el presente proyecto. En el módulo ANSYS-Fluent se realiza el mallado del dominio y de la geometría, además, se introducen los datos de velocidad del viento, obtenidos del punto de referencia mencionado anteriormente, el dato de la presión fue tomado para una presión atmosférica, también se trabajó con una temperatura ambiente. La importancia del análisis y determinación de estos datos correctamente nos ayudara a lograr una simulación de efecto del viento en la zona de estudio 2.2-. Metodología de trabajo con ANSYS 16.1. ANSYS 16.1 posee una ventana de trabajo, llamada Workbench (Banco de trabajo) (Figura 2.1). Esta ventana está compuesta por un menú principal, que ofrece la posibilidad de abrir y crear nuevos proyectos de trabajo, verificar y cambiar el sistema de unidades y ocultar o mostrar otras ventanas de dialogo. A la izquierda aparece la barra de herramientas,. 25.

(36) conteniendo los posibles módulos de análisis que varían desde estructural, hasta magnetoestáticos, respuesta armónica entre otros. Estos módulos de análisis están diseñados de acuerdo análisis que se necesite realizar. Para el caso de la simulación de fluidos, los softwares CFD dentro de los módulos de trabajo son: el Fluent y el CFX, se decidió trabajar con el Fluent como se había planteado anteriormente (Figura 2.2 a). Por debajo de la barra de herramientas está ubicada la barra de componentes, la que contiene de forma separada cada uno de los componentes posibles a utilizar. Esos componentes se ensamblan con una línea, arrastrando la celda antecesora a la celda sucesora (figura 2.2 b) ensamblado. El área de trabajo está ubicada en el centro de la ventana y es posible añadir cuantos módulos de trabajo sean necesarios.. Figura 2.1. Ventana de inicio de ANSYS 16.1. a). b). Figura 2.2. Módulo FLUENT de análisis de flujo: a) Cuando se inserta desde la barra de herramienta. b) Cuando son insertados por separados. Al pie de la ventana del Workbench están ubicadas las barras de progreso de la solución y la barra de mensajes, las que muestran el avance de la solución de las iteraciones y los mensajes de errores dados por la interacción de los módulos. La ventana de propiedades de. 26.

(37) la derecha contiene las informaciones de los módulos en pantalla. El modelo de trabajo seleccionado para hacer la simulación de la tubería forzada es el mostrado en la figura 8a, debido a que permite hacer el modelado CAD, el mallado del dominio en un mismo modulo sin tener que realizarlo por separado, aunque cualquiera de las dos opciones se puede utilizar. 2.2-2. Modelo Geométrico de INTEC La generación de la geometría se realizó en el software SolidWork 2016 (Figura 2.3) las edificaciones se encuentran distribuidas horizontalmente, en un terreno que se encuentra en una colina, aunque en la geometría no se representaron los niveles del terreno. Hay espacios entre las estructuras en las cuales se pueden tener un efecto de túnel de viento, donde la velocidad del viento tiende a acelerarse. El espacio que hay entre las edificaciones de Medicina y el de Odontología, puede crear una zona de alta turbulencia, fenómeno que se analizará en el Capítulo siguiente.. Figura2.3. Geometría construida en SolidWork 2016. Luego de la elaboración en CAD de la estructura se importó la geometría para ANSYS 16.1 Design Modeler (ADM), que es el software elegido por ANSYS para el modelado CAD. El ADM está pensado para para el diseño de geometrías con el fin de facilitar los ensayos numéricos, las que no deben contener exceso de elementos innecesarios. Es un software de diseño de sólidos basados en operaciones sobre bocetos 2D que pueden ser extruidos y recortados para generar objetos 3D, además de permitir la importación de modelos CAD de otros softwares existentes, como Autodesk Inventor, AutoCAD, etc. Después se construyó. 27.

(38) el dominio, que cuenta con las dimensiones siguientes: un cuadrado 850 x 850 m, y una altura de alcance hasta los 200 m, para realizar el mallado posteriormente. (Figura 2.4) En comparación con los casos estudiados en el Capítulo anterior es un dominio pequeño, donde no se tuvo en consideración la orografía del terreno ni los obstáculos cercanos a la estructura como los árboles adyacentes a él, por la complejidad que tiene en el proceso de la discretización.. Figura 2.4. Representación del dominio y la geometría importada al ANSYS. El autor se decidió por una altura de 200 m, para para prevenir una aceleración artificial del flujo sobre los edificios. Las estructuras no se encuentran en centro del dominio como se puede apreciar en la figura 2.4, debido a que el autor la dejó por defecto cuando la introdujo en el dominio. 2.2-3. Discretización del dominio mediante ANSYS Meshing La discretización del dominio se realizó con el software ANSYS Meshing (AM) (Figura 2.5). Este software es capaz de soportar 4 tipos de mallas (Hexaédrica, Prismática, Piramidal, Tetraédrica) para el mallado de volúmenes sólidos. La diferencia fundamental entre los tipos de mallados radica en el número de nodos que poseen las geometrías de los elementos que la conforman, (Figura 2.6). Los elementos de mayor calidad son los de tipo hexaédricos que poseen un total de 8 nodos, los de tipo prismáticos 6 nodos, las mallas piramidales 5 nodos y por último y con solo 4 nodos los elementos tetraédricos. El tamaño del mallado es otro buen punto de vista para la obtención. 28.

(39) de buenos resultados en la simulación. Los volúmenes de control del dominio deben ser lo más pequeños posibles en las condiciones de frontera donde ocurren cambios.. Figura 2.5. Árbol de jerarquías y barra de propiedades.. Figura 2.6. Comparación entre los 4 tipos de mallas posibles de generar con ANSYS Meshing, a) Hexaédrica, b) Prismática, c) Piramidal, d) Tetraédrica. ANSYS Meshing genera por defecto un mallado automático de la geometría definida, donde los elementos, tanto globales como locales se pueden editar, para obtener un mallado que corresponda a los objetivos planteados en cada caso que se estudie. En este caso se modificaron elementos globales para el refinamiento de todo el volumen del dominio, y consistió en cambiar parámetros en la barra de propiedades, en el árbol de jerarquías de la figura 2.5. Se asignaron los valores de fine (fina) a la propiedad Relevance Center (Relevancia de centro), médium (medio) a la propiedad Smoothing (suavizado) y con un tamaño de elementos por defecto que proporciona el mallado, además el autor optó por una relevancia de 100, para obtener mayor cantidad de elementos. La malla que se obtuvo está constituida por una malla tetraédrica fina, con un total de 150 808 nodos y 835 992 elementos de enlace de los nodos de la malla. (Figura 2.7). 29.

(40) Figura 2.7. Discretización de la geometría y el dominio por defecto del programa. Como no se obtuvo una malla hexaédrica por defecto, se tuvo que desarrollar un mallado de elementos locales, dando como resultado una malla con 1 186 141 elementos y 1 022 561 nodos, tamaño de cada elemento de la estructura de 1 m y el tamaño de los elementos más alejado de los edificios son de 4 m. (Figura 2.8). Figura 2.8. Discretización obtenida a través de elementos locales De las dos discretizaciones realizadas el autor se decidió trabajar con el mallado hexaédrico, debido a que esta permite que tengan un mejor ordenamiento espacial respecto a la no estructurada, facilitando la transmisión de información de un nodo a otro. 2.2-4. Condiciones de contorno Posterior a la discretización, se procede a establecer las condiciones del dominio. Al igual que fueron definidas las dimensiones de las paredes del dominio, deben tratarse de forma independiente, debido a que cada una representa la frontera del modelo, por lo que en ellas se definen las variables de entrada y salida a resolver. En la figura 2.9 se muestra la. 30.

(41) representación geométrica en 3D delimitada por el dominio el cual es acotado por las paredes señaladas con flechas.. Figura 2.9. Delimitaciones de del dominio elaborado. El módulo de Fluent (Figura 2.10) asigna automáticamente características físicas al modelo de la simulación. Tales son: el tipo de fluido es aire a 25°C de temperatura, con una densidad de 1,185 kg/m3 y una viscosidad dinámica de 1,831*10-5 kg/ms.. Figura 2.10. Ventana de trabajo del módulo Fluent. En la ventaja de trabajo del módulo Fluent permite modificar las condiciones de entradas de las velocidades del viento, permite seleccionar el modelo de turbulencia con que se desea realizar el ensayo, además permite verificar los resultados obtenidos mediante la opción de Results luego de terminar la simulación.. 31.

(42) 2.2-5.. Etapa de solución. Esta etapa se realiza en el módulo ANSYS Fluent–Solver donde se carga y se calcula el caso desarrollado, la labor del usuario en esta etapa es establecer los parámetros correspondientes para el ensayo que se va a realizar, además de introducir el valor de las iteraciones necesarias para correr la simulación. Los ensayos se realizarán en una PC con 4 GB de RAM, sistema operativo Windows 10 para 64 bit. Las velocidades del viento para el ensayo numérico en el software, se seleccionaron a partir de un estudio realizado en el Aeropuerto Herrera representado en la figura 1.6 del primer Capítulo (Anexo 3). Los valores de la velocidad del viento en la tabla del Anexo 3 están expresados en km/h, el autor determinó para eso mismo valores su equivalente en m/s ubicándolos en una columna a la derecha de la misma. Se seleccionaron tres valores: 4,5 m/s, un valor por encima de los determinados para conocer el comportamiento del viento en caso que el viento se mantuviese fuera del rango de velocidad determinado en la tabla y así se evalúa también para los valores máximos de la tabla; 3,5 m/s un valor intermedio que permitirá evaluar las velocidades en un rango que no llega a ser mucho menor ni mucho mayor al con respecto al de la tabla; 2,5 m/s para evaluar el potencial eólico en un rango de velocidades muy bajas. 2.2-5.1.. Designación de las unidades de medidas. En la sección Solution Setup se encuentran las siguientes pestañas: General (Figura 2.11): se establece el tipo de análisis:  Tipo (Type): basada en la presión (Pressure-Based) o la densidad (Density-Based).  Tiempo (Time): análisis en un momento fijo (Steady) o a través del tiempo (Trasient), en el cual se define las marcas de tiempo..  Formulación de la velocidad (Velocity Formulation): relativa (Relative) o absoluta (Absolute). En esta ficha solo trabajamos en la opción de unidades, seleccionado dentro de esta opción seleccionamos Length, damos clic en list y cerramos la ventana.. 32.