Thesis: Modelo híbrido FVM-FEM para la simulación del comportamiento aero-estructural de un globo sonda de alta estabilidad
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Mechanical engineering | |
| dc.contributor.correferente | Mura Mardones, Joaquin Alejandro | |
| dc.contributor.department | Departamento de Mecánica | |
| dc.contributor.guia | Otro | |
| dc.coverage.spatial | Campus Casa Central Valparaíso | |
| dc.creator | Sanhueza Espinoza, Sebastián Alonso | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-19T14:52:25Z | |
| dc.date.available | 2026-01-19T14:52:25Z | |
| dc.date.issued | 2021-03 | |
| dc.description.abstract | En el marco del proyecto FONDEF ID16I10105, se propone un sistema de globo cautivo que funciona como estación meteorológica, con el fin de ser utilizado para la evaluación del recurso eólico sobre terreno complejo. El sistema se compone de un globo aerostático auto-orientable de alta estabilidad, anclado a la superficie por uno o más cables elásticos, que eleva plataformas que contienen los equipos de medición meteorológica a una altura predeterminada. Con el objetivo final de diseñar un sistema de control de la posición de las plataformas de medición, se utiliza un modelo estático existente de sistema de globo cautivo de tres anclajes para desarrollar un código computacional que calcula la geometría de la estructura flexible en su estado de equilibrio bajo la acción de un campo de flujo estacionario. La solución estática permite comparar el efecto de la forma del aerostato en el comportamiento de la estructura y entrega una condición inicial en reposo para una simulación dinámica. Para el modelamiento de los cables que conforman la estructura flexible se utiliza una variante del método de elementos finitos conocido como método de masas concentradas. Debido al comportamiento no lineal, se discretiza su largo en elementos elásticos lineales y se resuelve el sistema de equilibrio de cada elemento mediante el método de Newton-Raphson. Para el cálculo de las fuerzas aerodinámicas sobre la estructura flexible se utilizan los coeficientes de arrastre y el principio de flujo cruzado. Los aerostatos son modelados como cuerpos rígidos orientados de frente al viento, y se utiliza el método de volúmenes finitos para calcular las fuerzas generadas por el viento sobre la superficie del envoltorio. Se realizan simulaciones computacionales fluido-dinámicas de distintas formas geométricas de globo a una velocidad de viento constante y variando el ángulo de ataque, obteniéndose funciones de sus coeficientes aerodinámicos que permiten determinar el ángulo de ataque en equilibrio. Se escogen cinco formas distintas de globos —esférica, cilíndrica, ovoidal, NPL y GNVR— para comparar su comportamiento aerodinámico y el impacto de este en el sistema de globo cautivo. El modelo de cable se verifica utilizando soluciones analíticas encontradas en la literatura, y se utiliza una simulación en OpenFOAM de un globo esférico para verificar el modelo de aerostato y realizar un análisis de sensibilidad de la malla. El modelo de SGC simple se valida para los cinco tipos de globos a una velocidad de viento lenta, con flujo en transición a la turbulencia, y se comparan para un mismo valor del empuje neto y de longitud de cable. Los globos NPL y GNVR son comparados a velocidades más altas, con flujo turbulento completamente desarrollado, igualando su empuje neto para distintas configuraciones de longitud de cable, velocidad de viento y variación de volumen. Los resultados demuestran una variación de la altura menor al 5% y un desplazamiento horizontal del orden de 20 [m] para los globos NPL y GNVR, a una velocidad de viento máxima de 15 [m/s]. El trabajo realizado busca entregar un primer acercamiento teórico del funcionamiento de un sistema de globo cautivo como estación fija y de esta manera generar una metodología para el diseño de este. | es |
| dc.description.abstract | Within the framework of the FONDEF ID16I10105 project, a tethered balloon system is proposed that functions as a meteorological station in order to be used for the evaluation of the wind resource over complex terrain. The system consists of a high-stability self-steering lighter-than-air balloon, anchored to the surface by one or more elastic cables, which raises platforms containing the meteorological measurement equipment to a predetermined height. With the ultimate goal of designing a control system for the position of the measurement platforms, an existing static model of a tri-tethered balloon system is used to develop a computational code that calculates the geometry of the flexible structure in its equilibrium state under the action of a steady flow field. The static solution allows comparing the effect of the shape of the aerostat on the behavior of the structure and provides an initial condition at rest for a dynamic simulation. A variant of the finite element method known as the lumped-mass method is used to model the cables that make up the flexible structure. Due to the non-linear behavior, its length is discretized in linear elastic elements and the equilibrium system of each element is solved using the Newton-Raphson method. For the calculation of the aerodynamic forces on the flexible structure, the drag coefficients and the principle of cross flow are used. The aerostat is modeled as a rigid body facing the wind, and the finite volume method is used to calculate the forces generated by the wind on the surface of the envelope. Computational fluid dynamics simulations of different geometric shapes of the balloon are carried out at a constant wind speed and varying the angle of attack, obtaining functions of their aerodynamic coefficients that allow determining the angle of attack in equilibrium. To compare the aerodynamic behavior and its impact on the tethered balloon system, five different shapes of balloons are chosen: spherical, cylindrical, ovoid, NPL and GNVR. The cable model is verified using analytical solutions found in the literature, and an OpenFOAM simulation of a spherical balloon is used to verify the aerostat model and perform a sensitivity analysis of the mesh. The simple SGC model is validated for the five types of balloons at slow wind speed, with flow in transition to turbulence, and they are compared for the same value of buoyancy and cable length. NPL and GNVR balloons are compared at higher speeds, with fully developed turbulent flow, matching their net buoyancy for different cable lengths, wind speed and volume variation configurations. The results show a variation of the height of less than 5% and a horizontal displacement on the order of 20 [m], for the NPL and GNVR balloons, at a maximum wind speed of 15 [m/s]. The work carried out seeks to provide a first theoretical approach to the operation as a fixed station of a tethered balloon system and in this way generate a methodology for its design. | en_US |
| dc.description.degree | Magíster en Ciencias de la Ingeniería Mecánica | |
| dc.format.extent | 168 páginas | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.71700/dspace-memorias/2818 | |
| dc.identifier.uri | https://cris.usm.cl/handle/123456789/4289 | |
| dc.language.iso | es | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.accessRights | info:eu-repo/semantics/openAccess | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Globos Cautivos | |
| dc.subject | Aerodinámica | |
| dc.subject.ods | 9 Industria, innovación e infraestructura | |
| dc.title | Modelo híbrido FVM-FEM para la simulación del comportamiento aero-estructural de un globo sonda de alta estabilidad | |
| dc.type.driver | info:eu-repo/semantics/masterThesis | |
| dspace.entity.type | Tesis |
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