Análisis de vibraciones aeroelásticas en estructuras esbeltas sometidas a cargas de viento

Resumen

En este trabajo se estudian las vibraciones inducidas por el desprendimiento alternado de torbellinos en estructuras cilíndricas tales como chimeneas industriales y mástiles usando un algoritmo de acoplamiento en el contexto de los elementos finitos. Para ello, se resuelven las ecuaciones de Navier-Stokes en 2D para flujo incompresible alrededor de la sección transversal junto con las ecuaciones del movimiento de la estructura. Para resolver el campo fluido y poder determinar las cargas (presiones) sobre el contorno se utiliza un método de paso fraccionado de segundo orden con segregación de la presión. El movimiento del dominio del fluido es tenido en cuenta mediante una formulación ALE (arbitrariamente Lagrangiana-Euleriana). La estabilización de los términos de convección y difusión se consigue mediante subescalas ortogonales y se asume que la variación temporal de las subescalas es despreciable. En la simulación no se incluye ningún modelo de turbulencia. Para la resolución de la estructura se considera un modelo monodimensional de barras de sección de pared delgada, de forma que la estructura es modelada a través de elementos tipo barra. En cada instante, las presiones sobre el contorno en cada plano analizado se integran y se interpolan para determinar las cargas por unidad de longitud que excitan a la estructura. El problema dinámico se resuelve mediante el método estándar de Newmark de segundo orden. Para cada instante de tiempo se resuelve el fluido y se realiza el análisis dinámico de la estructura, a la vez que se actualiza la geometría de la malla de cada plano de fluido de acuerdo con el movimiento de la estructura. La técnica propuesta se valida mediante ejemplos en los que se consiguen obtener los resultados numéricos esperados tanto para estructuras rígidas como para otras más flexibles. En estas últimas, los movimientos resultantes son apreciables y afectan al modo en el que el viento excita a la estructura, produciéndose cierta interacción que da lugar a fenómenos aeroelásticos denominados de lock-in o sincronización y de amplificación del coeficiente de arrastre. Estos fenómenos experimentales son reproducidos con el método numérico propuesto.