Diseño de canal con generador de olas

MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter 1 Section 1 SEQ MTEqn MERGEFORMAT SEQ MTSec 1 MERGEFORMAT SEQ MTChap 1 MERGEFORMAT P R E S E N T A N:Ávila del Castillo FernandoBandala Carreón MauricioMartínez Mejía Rodrigo AndrésInstituto Politécnico NacionalDIRIGIDO POR: Dr. Eric Gustavo Bautista GodínezDr. Salvador Rodríguez ParedesINGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIALPROYECTO TERMINAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DEdiseño mecánico y de control de un dispositivo generador de olasEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y EléctricaUnidad Azcapotzalco Objetivo General Diseñar un canal abierto con generador de olas, proponiendo un mecanismo y el control de éste para simular distintas condiciones marítimas, manipulando las variables que intervienen en el oleaje. Antecedentes El interés en la mecánica de las olas data de hace más de un siglo, comenzando con la teoría lineal de las olas por Airy (1845), continuando con teorías de orden superior por Stokes (1847), teoría de ondas largas por Boussinesq (1872) y limitando la altura de las olas por Michell (1893) y McCowan (1894). Durante los siguientes cincuenta años no hubo muchos avances, hasta la Segunda Guerra Mundial, por el interés de aterrizajes anfibios, esto llevo a la necesidad de comprender mejor la formación y crecimiento de las olas debido al viento, la transformación mecánica que ocurre desde la fuente hasta la costa y el proceso de rompimiento de las mismas. Tras la Segunda Guerra mundial, los estudios referentes al oleaje, pudieron haber sido abandonados de no ser por el desarrollo en actividades científicas, industriales y militares. Introducción Rara vez se pueden encontrar cuerpos de agua expuestos a la atmosfera que no tengan olas. Las olas son ondas que se manifiestan debido a las fuerzas que actúan sobre un fluido. El fenómeno es provocado por el viento, cuya fricción con la superficie del agua produce un cierto arrastre, dando lugar primero a la formación de rizaduras (arrugas) en la superficie del agua, llamadas ondas u olas capilares, de sólo unos milímetros de altura. Cuando la superficie pierde su lisura, el efecto de fricción se intensifica y las pequeñas rizaduras iniciales dejan paso a olas de gravedad. Las fuerzas que tienden a restaurar la forma lisa de la superficie del agua, y que con ello provocan el avance de la deformación, son la tensión superficial y la gravedad. Las ondas capilares se mantienen esencialmente sólo por la tensión superficial, mientras que la gravedad es la fuerza que tensa y mueve las olas más grandes. Figura 1.1 Influencia del viento en el oleaje Éstas se producen en infinitos tamaños y formas, dependiendo de las fuerzas que actúen sobre el agua. La fuerza gravitacional de la luna y el sol son otro factor, que, crean las más grandes olas conocidas, las mareas. Las olas más pequeñas pueden ser menores a un centímetro de longitud. La longitud de una ola da una idea de la magnitud de las fuerzas que actúan sobre éstas. La importancia de las olas no debe ser subestimada. Todo lo que se encuentre cerca o dentro de un cuerpo de agua está sujeta a la acción de estas ondas. Estado del Arte Canales de oleaje unidireccional en universidades e institutos Canal de Oleaje CIEM (Canal de Investigación y Experimentación Marítima) en la Universidad Politécnica de Cataluña. Este es un canal único en el mundo, permite la reproducción a escalas aproximadas a la real, en él se estudia el comportamiento de un perfil de playa con o sin obras. Puede representar condiciones de oleaje y nivel medio del mar que se desee. En él se realizan ensayos de diques portuarios, estructuras de defensa costera, entre otros. El CIEM se ubica en el Laboratorio de Ingeniería Marítima del departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental (DEHMA) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Su geometría es de 100m de largo, por 3 m de ancho y 5 de alto. En su tramo final dispone de una playa con pendiente de 1/15, previo a una playa final de escollera destinada a disipar energía. La rugosidad de las paredes y del fondo del canal está minimizada (exceptuando el tramo de fondo inclinado), para evitar la interacción de oleajes transversales. Es un canal cubierto, esto permite el mantenimiento del agua en condiciones ideales y constantes. Evita la influencia de agentes no controlables, como puede ser el viento e inclemencias meteorológicas o los cambios bruscos de temperatura, factores que pueden variar los valores de las mediciones a lo largo de un ensayo, o no permitir realizarlo. Figura1.2 Dimensiones del CIEM El canal está compuesto por un generador tipo cuña, que se desliza por un plano en una pendiente de 30°. Éste es impulsado por un sistema hidráulico, una servoválvula regula el flujo de aceite a un pistón doble efecto, que se encarga del movimiento de la pala. El actuador hidráulico dispone de tres motobombas que proporcionan presión al circuito de aceite. Cuenta con un sistema de control electrónico y un software para la adquisición de datos. Además, el canal dispone de un conjunto de ventanas laterales que se utilizan para la filmación de los ensayos, con el objetivo de obtener mayor información de los resultados y ubicar de la forma más ajustada los modelos a estudiar. El canal CIEM puede trabajar con niveles de agua variables y reproducir olas de hasta 1.6 metros de altura, tanto con oleaje regular como irregular, posee un sistema de absorción dinámica de oleaje, que elimina las distorsiones producidas por la reflexión de las olas en las estructuras o playas ensayadas. Figura1.3 Vista del CIEM Canal de oleaje en la Universidad de Ghent La Universidad de Ghent, en su departamento de Ingeniería Civil, construyó un canal de oleaje, el diseño comenzó a principios de 2002 y el canal de flujo es totalmente operativo desde marzo de 2003. El objetivo de este dispositivo ha sido conseguir una mejor comprensión de las olas y su interacción con estructuras a escala. El canal es una estructura de 30m de largo, 1m de ancho y 1.2m de altura. La amplitud máxima de las olas producidas es de 0.35m. Las paredes del canal son principalmente de concreto. Una sección de quince metros de largo de una pared lateral es de vidrio de 30mm de espesor, se encuentra apoyado en un marco de acero. La parte trasera del canal está cerrado con una puerta de acero, la apertura de ésta, permite a la gente entrar en el canal de oleaje para la construcción de modelos. Cuenta con una paleta de tipo pistón. La pala se fija a un marco abierto en movimiento y se mueve sobre rodamientos lineales. Todas las conexiones mecánicas y eléctricas se encuentran por encima de las paredes del canal. La longitud de la carrera máxima es de 1,50 m. El desplazamiento de la paleta se logra utilizando un servo motor. Figura1.4 Imagen del canal de la Universidad Ghent En el canal se utiliza el software para generación de olas Genesys, que es capaz de reproducir olas regulares e irregulares y para adquirir datos a través de sensores. La generación de olas ha sido desarrollada utilizando el software LabView. El desplazamiento de la paleta es controlado utilizando una conexión de red entre la PC y el controlador en tiempo real. Estanques con generadores de oleaje en universidades Los estanques de oleaje, a diferencia de los canales, son estructuras en las cuales se puede representar oleaje multidireccional, a través, de múltiples generadores. Hay diferentes tipos de estanques, a continuación se mostrarán algunos. En la figura 1.5 se presenta un estanque de ocho pallets accionados por pistón en la Universidad de Manchester Figura 1.5 Estanque de la Universidad de Manchester. De manera similar se encuentra hay uno en el Colegio Universitario de Londres con paletas de bisagras tipo flaps. Figura 1.6 Estanque en el Colegio Universitario de Londres. A continuación se hace mención al estanque que se encuentra en la Escuela Central de Nantes, el cual, tiene un volumen asombroso ya que es un estanque de 50 por 30 m. además de una profundidad de 5 m. Su desarrollo es de los más importantes en el área de la energía de las olas. Figura 1.7 Estanque de la Escuela Central de Nantes. Por último mencionaremos el tanque que se encuentra ubicado en Edimburgo, tiene la característica de ser curvo, éste diseño fue implementado en el 2003. Figura 1.8 Estanque en la Universidad de Edimburgo. (Taylor et al., 2003). Generadores de olas unidireccionales comerciales HR Wallingford HR Wallingford comenzó en 1947 como la Estación de Investigaciones Hidráulicas del gobierno del Reino Unido, en 1982 se volvió una empresa privada dedicada a resolver problemas de manera apropiada y precisa. HR Wallingford es una empresa certificada por ISO9001, por su alto nivel de calidad en la provisión de análisis, consultoría y apoyo en ingeniería civil e hidráulica ambiental, así como en la gestión del agua y el entorno del agua. Esta empresa tiene más de 60 años de experiencia diseñando y fabricando desde equipo para generar olas y simular las condiciones del mar hasta instrumentación y software para recolectar y analizar los resultados. Al usar modelos físicos para probar el diseño de estructuras costeras o para investigar los procesos de onda, los ingenieros deben ser capaces de trabajar con una amplia gama de condiciones de oleaje realista. HR Wallingford tiene una amplia experiencia en el diseño y construcción de sistemas de generación de ondas para simular de forma realista las condiciones el mar. Esta compañía ha suministrado generadores de olas a muchos laboratorios en todo el mundo y han estado en uso en sus propios laboratorios durante muchos años. Los generadores de olas para canales abiertos normalmente son accionados por servomotores de corriente alterna. Generadores de olas muy grandes son accionados hidráulicamente. Actualmente, en México se cuentan con 2 equipos de esta empresa, uno localizado en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). El otro en el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). HR Wallingford tiene un software avanzado capaz de generar distintos tipos de oleaje, tanto regular como irregular, y capaz de controlar más de una paleta, así como generar oleaje en 1D y 2D. Figura 1.9 Canal del Laboratorio de Hidráulica en IPN, ESIA Zacatenco DHI Group DHI Group es una organización danesa de investigación y consultorías, producto de la fusión de “Danish Hydraulic Institute” (DHI) y “Instituto para el Entorno del Agua” (VKI) en el año 2000 y de la fusión de “DHI Water & Environment” y “Danish Toxicology Centre” (DTC) en el año 2005. En 1972, DHI introdujo generadores de olas irregulares en sus equipos. DHI crea generadores de olas capaces de producir olas en 1D y 2D utilizando métodos funciones de transferencia de primer y segundo grado teóricamente correctas en lugar de utilizar funciones de transferencia basados en prueba y error. Sus canales y generadores de olas son hechos a especificaciones del cliente, adaptándose a casi cualquier medida; utilizan accionamiento hidráulico o eléctrico dependiendo del tamaño del canal. DHI Group maneja un software capaz de recrear olas en 1D y 2D tanto en canales como en estanques. Utiliza diversos métodos para crear los distintos tipos de olas. Figura 1.10 Generador de olas por DHI Armfield Limited Esta compañía se establece en Inglaterra en el año de 1875, dedicados al diseño y manufactura de maquinaria para la ingeniería. La división de educación de Armfield se creó en 1963 con el fin de surtir a todos los laboratorios de hidráulica de las universidades de reciente creación después de la Segunda Guerra Mundial. Armfield Limited produce un canal abierto de una sola sección transversal (300mm x 450mm) y una longitud de múltiplos de 2.5m a partir de los 5m. Cuenta con un sistema que permite inclinar uno de los extremos para generar una pendiente y así un flujo. El generador de olas de Armfield es de paleta tipo flap adaptado de una de las paredes del mismo. Figura 1.11 Canal abierto con generador de olas de Armfiel Resultados obtenidos en ensayos con generadores de oleaje Zhang S. y Williams A.N (1999) estudiaron la generación y propagación de las ondas de segundo orden según la teoría de Stokes, que fue simulado numéricamente en un canal estrecho de profundidad uniforme. El movimiento de las olas se produjo con un generador de tipo pistón. Tanto el problema de primer, como el de segundo orden fueron resueltos. La exactitud de los resultados calculados se comprobó comparando los resultados en dominio del tiempo contra las soluciones de una base de datos en dominio de la frecuencia. Se concluyó con este estudio que el enfoque de la teoría de Stokes proporciona una técnica precisa y eficiente para simular la generación y propagación de ondas dicromáticas de segundo orden en un canal de dos dimensiones. Modelos de perfiles probabilísticos han sido comparados con los datos hidrodinámicos de experimentos de laboratorio y de campo en la escala de tiempo de las tormentas y las estaciones. El experimento de laboratorio a gran escala es puramente en 2D y ofrece un caso ideal de prueba para modelos, ya que las uniformidades a lo largo de la costa están ausentes. El objetivo de este trabajo consistió en presentar la información de los procesos costeros en escalas de tiempo y evaluar las capacidades de predicción de procesos costeros basados en los modelos de perfil con respecto a la hidrodinámica y morfodinámicos de playas arenosas en las escalas de tiempo de las tormentas y las estaciones. Éstos pueden, con bastante precisión (error inferior al 10%), representar la distribución de altura significativa de olas, si el modelo de rompeolas está correctamente calibrado. El coeficiente de ruptura de la ola debería ser una función de la pendiente de olas locales y de la pendiente de fondo para obtener resultados más precisos. Los modelos de perfil pueden representar razonablemente corrientes, resaca, en condiciones de caso 1D y 2D. Los modelos de perfil y efectos de retardo interruptor no producen mejores predicciones que las velocidades actuales. Estos modelos con la configuración predeterminada puede simular el comportamiento de las barras interiores y exteriores en la escala de tiempo de tormenta. Los modelos de perfil pueden simular la migración de barras en la costa después de la tormenta, siempre que la velocidad y la asimetría de la ola relacionada con el transporte de arena están representadas de una manera suficientemente precisa (con teorías no lineales de ondas). Los modelos de perfil no pueden simular la recuperación de las playas en los procesos de la escala de tiempo post-tormenta, ya que estos procesos esencialmente 3D no son suficientemente conocidos para ser incluidos en los modelos. Los modelos de perfil con la configuración predeterminada no pueden simular el comportamiento de las barras interiores, exteriores y de la playa en la escala de tiempo estacional, el comportamiento de la barra exterior en la escala de tiempo estacional sólo puede ser representado correctamente después de utilizar los perfiles ajustados. La simulación de la barra de interior y la morfología de la playa en la escala de tiempo estacional no se puede mejorar ajustando. (VAN RIJN, L.C., et al, 2003) Perfiles han sido incluidos durante un experimento a gran escala en una playa de lecho fijo. El conjunto único de datos permitió observar la variación de las distribuciones de velocidad y de contribuir al debate sobre la variación del factor de fricción f, en un ciclo de resaca. El análisis de los datos de velocidad con el modelo de balística y con la Ley del Muro han dado resultados opuestos. Se demostró que si se considera el gradiente de presión, el factor de fricción se espera que sea más grande en eclosión que en la resaca. Por último, para las características de la playa adoptadas por encima del nivel del agua inmóvil en la costa, se supone f = 0,016 en la eclosión, y f = 0,009 en la resaca. (TOMASICCHIO, G.R., et al, 2003) Se realizaron experimentos de laboratorio en estructuras de cresta baja (LCS’s por sus siglas en ingles). Los experimentos se llevaron a cabo en tres laboratorios europeos que pretende ampliar y completar la actual información disponible con respecto a una amplia gama de propiedades de diseño de ingeniería tales como la estabilidad estructural, las olas, las corrientes actuales y transmisión de la onda. Pruebas de 3D en estanques de oleaje se han realizado para proporcionar información, especialmente sobre la oblicuidad de onda, donde casi ninguna investigación se ha hecho antes. Velocidades de flujo dentro y cerca de la superficie de las estructuras fueron estudiadas en un canal de oleaje a pequeña escala, los efectos en relación con la transmisión de ondas y la reflexión se estudió en un canal de oleaje en una instalación a gran escala. El artículo describe los experimentos y las bases de datos asociadas con respecto a los objetivos, el programa de prueba, los reglajes y mediciones. (MORTERN, K., et al, 2005) Datos experimentales se utilizaron para validar dos enfoques para la simulación de las olas y corrientes en las proximidades de rompeolas sumergidos. El primer enfoque es un método de eliminación promedio en que un modelo de onda se utiliza para simular la transformación de onda, mientras que un modelo de flujo en 2D se utiliza para calcular la onda resultante impulsada. El segundo enfoque es un método de resolución de fase en el que un modelo de tipo 2DH-Boussinesq de alto orden se utiliza para calcular las olas y el flujo. Los modelos predicen olas de altura que son comparables a las mediciones si la ruptura de la ola del sub-modelo está correctamente afinada para la disipación en el rompeolas sumergido. Se demuestra que el patrón de flujo simulado utilizando los dos sistemas es cualitativamente similar al observado en los experimentos. Por otra parte, el modelo para resolver la fase muestra una buena concordancia entre la medición y simulación de elevaciones de la superficie de onda instantánea en las pruebas de canal. (JOHNSON, H.K., et al, 2005) Ducrozet, F., Bonnefoy, D., Le Touzé y Ferrant P. (2006) estudiaron el desarrollo del modelo no lineal del oleaje para la simulación de la generación y propagación de ondas de gravedad en profundidad finita en 1D y 2D. Se formuló un espectro totalmente nuevo, la propagación de las ondas se resolvió completamente de una manera no lineal. La resolución fue realizada por el método de la transformada rápida de Fourier, lo que conduce a un método rápido y exacto. La eficiencia y la rápida convergencia de este método espectral permitieron la modelización de las ondas de cortas longitudes en un canal de oleaje. Se presenta la experiencia de la utilización de una Perfilador Acústico de Velocidad Doppler (ADVP) en la zona de rompimiento una playa de gran escala. Se centra en la descripción de la configuración adecuada de un ADVP y en la determinación de las relaciones de los componentes de la velocidad horizontal y vertical, válido para el caso del flujo oscilatorio. En la segunda parte, los datos de la componente horizontal de la velocidad del ADVP se comparan con los datos pre-procesados a partir de otros dos dispositivos de medición de rompimiento de olas. Como se esperaba, en la región externa de la zona de navegación las mediciones de velocidad aparecen influidas por la entrada de aire. En la región donde aumenta marea, donde los efectos de la ruptura de la ola son menos intensos y donde la ola se reforma, la velocidad horizontal esta en acuerdo razonable con el resto de las mediciones. Aunque la ADVP parece mucho más ruidosa que otros instrumentos, el rol de las burbujas en la zona exterior es prevaleciente en el error de medida y ofrece una gran subestimación. (TOMASICCHIO, G.R., 2006) Ensayos en estructuras costeras Hua Liu (2006) del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Shanghai Jiao Tong presentó un nuevo modelo matemático de rompeolas artificiales. Un canal de dos dimensiones basado en el número de Reynolds, las ecuaciones de Stokes y los estándares de turbulencia, fue desarrollado para calcular los flujos turbulentos en la superficie libre. Una serie de experimentos basados en modelos físicos se llevaron a cabo en las mismas condiciones de la simulación numérica, para determinar la resistencia del modelo. Comparando el valor calculado de desbordamiento sobre el muro con los datos experimentales, se calibraron los valores del coeficiente efectivo de arrastre. Figura 1.11 Ensayo de un modelo de rompeolas en un canal de oleaje Se ha estudiado el comportamiento hidrodinámico de rompeolas fijos y flotantes con movimiento oscilante, basado en modelos matemáticos con ecuaciones de tipo Boussinesq. El flujo debajo del rompeolas flotante es tratado por separado, como flujo confinado. El campo de presión por debajo de la estructura flotante se determina mediante la resolución de la ecuación de Laplace para el potencial (Φ) del flujo, utilizando las condiciones de frontera adecuadas. La ecuación dinámica del movimiento de oscilación vertical se resuelve con los consiguientes ajustes de la ecuación de continuidad en el caso de un movimiento de oscilación vertical rompeolas flotantes. Los resultados numéricos, se comparan con los resultados experimentales satisfactoriamente. La capacidad del modelo numérico para predecir el campo de presión debajo de la estructura flotante y la fuerza vertical que actúa sobre ella, es examinada a fondo para hacer comparaciones de los resultados numéricos a gran escala con los datos experimentales. Los experimentos se realizaron en el CIEM de la. El objetivo final es el estudio de la eficiencia rompeolas flotantes en aguas poco profundas e intermedias. (KOUTANDOS, E.V., et al, 2004) Se presentan los últimos avances en el conocimiento de las cargas de onda impulsiva en vertical y paredes escarpadas, con base en resultados de experimentos en el CIEM /LIM en el marco del proyecto VOWS (desborde violento de las olas en diques, por sus siglas en ingles). Para la mayoría de los métodos de análisis, el de dispersión se ha encontrado el más pertinente a todo el rango de medición. Una fórmula simple e intuitiva de predicción se presentó, la cual parece dar una mejor estimación de las fuerzas de impacto de las olas. Para complementar estas mejoras, los nuevos datos se presentan en las duraciones de los efectos de ola, junto con la distribución vertical de las presiones en la pared, (CUOMO, G., 2004) Ensayos realizados en canales a dispositivos que aprovechan la energía del oleaje El diseño de convertidores energéticos de olas depende fuertemente de los resultados obtenidos en simulaciones numéricas y experimentos con modelos a escala. Dichos resultados no solo dependen de los cambios en el diseño, sino también en la optimización de las configuraciones seleccionadas. Los modelos numéricos proporcionan la evaluación de los costos relativamente bajos. Los modelos físicos son puestos a prueba en tanques de olas para corroborar la simulación numérica hacia el fenómeno de investigación el cual no puede ser registrado por los softwares computacionales. La mayoría de los experimentos desarrollados en olas están basados en la teoría lineal de las olas y sobre esto, puede haber dos tipos de problemas: en problemas donde el cuerpo está fijado a entradas de olas y donde el cuerpo es forzado a moverse en sentido del fluido. Sarmento (1992) realizó experimentos en un canal de oleaje con ondas de pequeña amplitud en proporción con la longitud de la ola (menor a 0.01). El objetivo principal fue la validación de la superficie oscilante de la teoría de Sarmento y Falcao (1985) aplicado a la absorción de la energía del oleaje en dispositivos OWC (columna oscilante de agua, por sus siglas en ingles). Se obtuvieron experimental y teóricamente las curvas para la eficiencia y reflexión, así como los coeficientes de transmisión. Métodos de panel Los métodos de panel, también llamados métodos de elementos de frontera (BEM por sus siglas en inglés), son una perspectiva amplia, ya que son utilizados métodos computacionales para resolver ecuaciones diferenciales parciales. Típicamente el método BEM, se aplica para el cálculo de la función Green, entre otros cálculos para los que puede ser aplicado (aerodinámica, mecánica de fluidos). Para este caso hay dos problemas los cuales son: Un barco con una velocidad constante en aguas tranquilas; Una estructura en cara a olas regulares. Newman (1985) desarrolló una técnica práctica para abordar cuestiones como éstas y posteriormente aplicarlo a estudios y en 1992 dio los principios básicos de los métodos en hidrodinámica marítima, donde se enfocaron a problemas de resistencia de olas, movimiento de barcos y plataformas en alta mar, entre otras. Aplicaciones del método de panel en los convertidores energéticos de olas. Se debe de mencionar el trabajo realizado por Salter (1974), en donde menciona la absorción de la energía de las olas en distintos barcos. El primer intento del trabajo de Salter fue realizado por Katory (1976), en donde los resultados obtenidos fueron incongruencias y no se pudo completar hasta que Mynett (1979), presentó el primer estudio numérico comprehensivo, donde se utilizó una leva para convertir la energía de las olas; éste fue precedido por el trabajo teórico propuesto por Mei (1976) y Evans (1976), donde el principio básico de los sistemas de absorción de fuerza fueron descritos y usados en la teoría lineal de las olas. Todo esto generó más y más estudios dentro del estudio de las olas, originando una fuerte investigación, simulaciones, llevando a la conclusión de que la energía obtenida por las olas tiene una altísima eficiencia. El uso de los BEM para los convertidores energéticos de olas fueron los que ligaron al estudio de las columnas oscilantes de agua. La mayor modificación fue asociada con el problema impuesto el movimiento oscilatorio del agua en la columna interior, el cual fue resuelto por la modificación de la condición de límite a través de la distribución de la presión. Figura 1.12 Configuración inicial de la OWC (Brito Melo et al,. 1998) Figura 1.13 Configuración final de la OWC (Brito Melo et al., 2000) El estudio (Lee et al., 1996) fue hecho a tres configuraciones distintas: en una piscina en forma de luna con una profundidad considerable, una OWC montada al fondo y una OWC con muros extendidos (en dirección del oleaje). Los estudios hechos carecen de validación experimental, pero un ejercicio de verificación parcial fue desarrollado, comparando ambas salidas, las cuales variaron por un margen mínimo de error. Ejercicios de sensibilidad numérica condujeron también, por la evaluación de discretizaciones diferentes de la geometría por la comparación de los valores derivados de la fuerza de excitación proveniente de la integración de la presión directa. Delauré y Lewis (2003) aplicaron un software para en análisis de la interacción de las olas (WAMIT) en modelado de olas de una OWC, siguiendo un proceso similar el que aplicó Lee (1996), donde generalizaron los modos de movimiento usados en el modelo de superficie libre. Continuaron con mas contribuciones por los mismos autores entre los cuales, hay evaluación de procesos similares, estudios paramétricos y la evaluación comparativa de resultados de experimentos que fueron presentados. La Universidad de Edimburgo en 1994 usó un código diseñado exclusivamente para ellos, para comparar los resultados numéricos con los experimentales hechos con Duck (modelo de transformación de la energía del oleaje en energía mecánica). La matriz de impedancia de radiación, la fuerza de excitación y la amplitud adimensional fueron calculadas. Los datos obtenidos, como se esperaba, mostraron un mejor resultado en comparación de los métodos experimentales. Las curvas propuestas por WAMIT tienen un cambio confuso en términos de frecuencia cuando se compara con las experimentales, ésto muestra claramente la evaluación de cada plano, los valores máximos y mínimos, y puede ser parcialmente unida al procedimiento de discretización, como lo indica Payne (2006) en un estudio de un concepto diferente, como hacia las inexactitudes en la descripción de la matriz de masa. La sensibilidad muestra el estudio de que estos resultados están fuertemente influenciados por los cambios en esta matriz, particularmente en los momentos de inercia. Figura 1.14 Parte real de la matriz de impedancia hidrodinámica (Resultados del modelo del Duck). Payne (2006), usó WAMIT para realizar el modelado hidrodinámico de una boya, comparando el resultado con dos modelos experimentales, el primero consistió en un modelo de un grado de libertad y el otro que fue un modelo libre de flotación. Figura 1.15 Modelo experimental de un grado de libertad. Los resultados de WAMIT, mostraron un cambio en la frecuencia con respecto a los equivalentes de experimentación. Un estudio de análisis de sensibilidad numérica para cuantificar la influencia de los radios de giro condujo a confirmar dicho efecto. Una extensa revisión en la aplicación de los códigos BEM en la investigación de energía de olas, tanto estudios teóricos y cuando se compara los resultados numéricos experimentales, también está disponible en Payne (2006). Kai- Uwe presentó una investigación para desarrollar un dispositivo OWC, adaptando los parámetros del estado de las costas de la India. El modelo prototipo del IIT fue construido en cristal acrílico a una escala de 1:10, en el cual se pudo visualizar el flujo y realizar mediciones. El comportamiento dentro de la cámara no cambió significativamente con el diámetro del orificio, la dirección de las olas o el nivel del agua al ser alterados. Se pudo demostrar que existe imponderabilidad para el diseño de los dispositivos de ondas cortas que no son reproducibles en escala 1:100. Figura 1.16 modelo de un OWC utilizado por Kai- Uwe Graw Irving R. y Thiagarajan K.P estudiaron la interacción de las olas, con la cámara semisumergida de un dispositivo OWC, se estudio experimentalmente para examinar la eficiencia energética del oleaje. La clave característica de este desarrollo experimental es el estudio sobre la influencia de los parámetros geométricos de la pared frontal sobre el rendimiento del OWC. Se hiso uso de teorías en dos dimensiones para fines comparativos y así explicar las tendencias observadas en la mediciones experimentales. Se manifestó amplia eficiencia centrada en la frecuencia natural del OWC. Los experimentos se llevaron a cabo en el tanque de oleaje de la University of Western Australia. Las medidas del tanque son 50m de largo con un ancho de 1,5 metros y está equipado con un generador de tipo pistón. El modelo a escala 1:12.5 del dispositivo OWC fue diseñado para abarcar el ancho y la profundidad del tanque para evitar la transferencia de energía más allá del dispositivo. El cuerpo principal del modelo se construyo de material translucido para permitir la visualización de la superficie libre interna. Figura1.17 Esquema de OWC en el canal de oleaje de la University of Western Australia Vidal C. (2005) describió el aprovechamiento de la energía del oleaje en un Resonador Hidroneumático Fijo Colector (RHFC), derivado del Nacional Engineering Laboratory (NEL) Oscilating Water Column (OWC). Los diseños de este NEL OWC, sitúan una turbina de aire sobre cada cámara. Sin embargo, si se colectan los flujos de aire de las cámaras en dos conductos de alta y baja presión, se logró la rectificación y el suavizamiento de las oscilaciones del flujo de aire, permitiendo grupos mayores, facilita la operación y el mantenimiento y permite el trabajo en los casos extremos de calma o temporal. Algunos experimentos con colección de flujos efectuados por el NEL confirmaron la reducción de eficiencia, debida a la falta de control del comportamiento de las columnas de agua individuales y a la amortiguación inadecuada. Los ensayos se realizaron en el tanque de oleaje del Departamento de Puertos y Obras Marítimas de la Universidad de Santander. El modelo se fabrico en plástico y aluminio, con tres cámaras de dimensiones b=0,56m, h=0,157m con una profundidad del agua de 0,75m. Figura1.18 Representación del ensayo al RHFC Referencias Airy, G. B., Tides and Waves, Metropolitan Encyclopedia, 1845. Boussinesq, J. Essai sur la théorie des eaux courantes. Mém. Prés. Acad. Sci. Paris, 1877 Cuomo Giovanni, “Wave impacts at sea walls”, Coastal Engineering 2004 (pp 4050-4062) Ducrozet, G., y Bonnefoy, D., Implementation and Validation of Nonlinear Wave Maker Models in a HOS Numerical Wave Tank, Proceedings of the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco, California,2006. 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Marco Teórico Características La parte más alta de una ola es su cresta, y la parte más profunda de la depresión entre dos olas consecutivas se llama valle. Los parámetros más importantes para describir las olas son su longitud, altura, y la profundidad del agua sobre la que se propagan. La figura 2.1 muestra un esquema bidimensional de una ola que se propaga en la dirección X. Figura 2.1 Características de las olas La longitud de la ola, L, es la distancia horizontal entre dos crestas sucesivas, el periodo T es el tiempo necesario para que dos crestas sucesivas pasen por un punto en particular. Como la ola, debe moverse una distancia L en el tiempo T, la velocidad de la ola es celeridad y se define como: Ecuación 2.1 Fórmula de la celeridad La diferencia de altura entre una cresta y un valle se le llama altura de la ola “a”. La amplitud es la distancia entre una cresta y un valle, H, por último la altura h es la distancia entre el nivel del agua y el fondo del lugar en el que se propaga la ola (Dean,R.G1991). Teorías del oleaje Las teorías que describen el oleaje son aproximaciones a la realidad. Pueden describir bien aquellos fenómenos cuyas condiciones satisfagan las asunciones hechas en su derivación. Teoría lineal de ondas También denominada teoría de Airy, puede ser una útil aproximación si las hipótesis de partida se cumplen (Airy, G.B, 1845). El agua es homogénea e incompresible; (lo que implica que la densidad es constante) La tensión superficial puede ser despreciada. El efecto de Coriolis debido a la rotación de la tierra puede ser asimismo despreciado. La presión en la superficie libre del mar es uniforme y constante. El agua del mar carece de viscosidad. No existe interacción del oleaje con ningún otro movimiento marino. El flujo es irrotacional. El fondo del mar constituye un límite horizontal, fijo e impermeable, lo que implica que la velocidad vertical en él es nula. La amplitud de la ola es pequeña y su forma es invariable con el tiempo. Las ondas son planas (de dos dimensiones). Dispersión del oleaje La ecuación de dispersión relaciona la celeridad con la profundidad y la longitud de onda, se escribe como: Ecuación 2.2 Ecuación de Airy Combinando las dos ecuaciones anteriores, se puede escribir la celeridad como: Con esta ecuación se puede comprobar que una ola viaja más rápido cuando mayor es su periodo. El concepto de dispersión implica que las olas se separan en su propagación hacia la costa, ordenándose por sus periodos. Clasificación de las zonas en que se propaga el oleaje Las zonas a través de las cuales se propaga el oleaje se clasifica según su profundidad relativa, h/L, así se pueden distinguir las tres zonas que se indican en la tabla 1 Zonah/LProfundidadesIndefinidas½ a Aguas de transición1/20 a 1/2Profundidades reducidas0 a 1/20 Tabla 2.1 Zonas de propagación de las olas (Goda, Y. 2000) Teorema de Stokes El teorema de Stokes se fundamenta en el desarrollo de las olas no lineales o también conocida como teoría de la onda solitaria (Stokes, 1961). Figura 2.3 Perfil de ola propuesta por Stokes La teoría de Stokes sirve para la descripción de olas poco profundas además de que propone una ecuación, la cual, su desplazamiento vertical tiene la forma: Donde λ es la longitud de la ola y la celeridad son idénticas a las de la teoría lineal. La característica principal de la teoría de la onda solitaria es que su superficie, está siempre por encima del nivel normal del mar. Figura 2.4 Onda solitaria Y comparado una con otra se puede llegar a la conclusión de que se ve sumamente afectado el periodo de las olas en base a la altura de las mismas. A continuación se muestra una tabla con las características anteriormente mencionadas. Período T (segundos)5Altura de la ola en metros1251051.32.14.27.27.51.62.65.18.6101.835.99.812.52.13.56.611152.33.97.412.1 Tabla 2.2 Altura de olas en base a profundidad Con las teorías anteriormente expuestas se llega a la conclusión que la energía de la ola en la zona del mar de fondo cerca del litoral viene dada por la expresión: donde se observa que la energía en estas circunstancias disminuye rápidamente la altura h. En la siguiente figura se muestra un espectro que sirve para definir oscilaciones de corto periodo (entre uno y treinta segundos) sobre la superficie libre del mar. Figura 2.5 Espectro de ola por poco tiempo Al hablar de Bretschneider se habla de la teoría del rompimiento de olas y en consecuencia de las olas progresivas. En aguas poco profundas, la relación es de H/h = 0.78 (siendo H la amplitud de la ola y h la altura de la ola a partir del espejo libre agua); para aguas profundas la relación es de H/ QUOTE =0.142 (donde QUOTE al rompimiento de las olas). Teoría de olas Cnoidales Korteweg y Devries (1895) desarrollaron una teoría en olas poco profundas. Estas olas tienen la característica de la teoría de las olas solitarias. Este perfil de olas es desarrollado en integrales de Jacobianas elípticas y esa teoría es llamada “cnoidal” por la constante sinusoidal, de la teoría de Airy. Figura 2.6 Comparación de las teorías de las olas Espectros del oleaje El concepto de espectro puede ser atribuido a Newton, quien describió que la luz del sol puede descomponerse en un espectro de colores (rojo al violeta) con la ayuda de un prisma. El espectro indica cómo la intensidad de la luz varía con respecto a la longitud de la onda. La técnica de descomposición de fenómenos complejos en componentes individuales se ha aplicado en muchos problemas físicos. Las olas del mar, que a primera vista parecen un fenómeno muy aleatorio, pero puede ser analizado como un compuesto de un número infinito de ondas con diferentes frecuencias y direcciones. La distribución de la energía de éstas cuando se representa a la frecuencia contra su dirección se llama espectro del oleaje (Goda, Y. 1973). La distribución de la energía de la onda con respecto a la frecuencia, independientemente de la dirección de las olas, se llama espectro de frecuencia, mientras que la distribución de energía, expresada en función y la dirección se llama el espectro de ondas direccionales. La figura 2.7 muestra el perfil de una onda irregular, la cual se construyó mediante la suma de cinco ondas sinodales, de diferentes alturas y periodos. Se pueden obtener perfiles muy irregulares similares a los del mar aumentando el número de ondas componentes. Figura 2.7 Obtención del espectro de una ola Sverdrup y Munk (1947) introdujeron la relación entre los conceptos de altura de ola significante, H,, duración del oleaje t, fetch, F (distancia que recorre el viento sobre el mar sin variar), peralte de la ola (altura de la ola/longitud de ola), , edad del oleaje (celeridad/velocidad del viento), . Años más tarde Bretschneider revisa y completa este método, conocido a partir de entonces como método SMB o de la ola significante. Pierson, Neumann y James (1955) desarrollan una técnica de previsión del oleaje basado en el concepto de espectros de energía. Darbyshire propone una nueva expresión para el espectro de energía en función del fetch. Bretschneider (1959) aporta una formulación del espectro de energía para diferentes estados de desarrollo del oleaje, y cuya principal aplicación se centra a oleajes generados por ciclones y huracanes tropicales. Pierson y Moskowitz (1964) proponen una forma de espectro de energía para oleaje totalmente desarrollado, basado en la expresión obtenida por Kataigorodskii a partir del análisis dimensional en medidas directas del oleaje. Hasselmann (1973), como resultado del proyecto conjunto realizado por varios países en aguas del Mar del Norte, publican el espectro JONSWAP (Joint Wave Observation Program for the North Sea). En este espectro, algunas componentes se sobresaturan de energía para determinadas longitudes del fetch. Losada y Serrano (1977) presentan el método direccional de previsión de oleaje, método que sigue la escuela espectral y que tiene en cuenta los resultados obtenidos en el JONSWAP, así como la dirección de las componentes. Diseño del tanque de olas y generador de olas. Actualmente hay doy tipos de generadores de olas. Las paletas que aletean son usadas para producir olas en aguas profundas, donde el movimiento orbital de las partículas disminuye exponencialmente con la profundidad y hay un movimiento insignificante en el fondo. Las aplicaciones típicas son la de modelización de estructuras en aguas profundas y la investigación de la física en las olas. A menudo, la bisagra de la paleta está montada sobre una cornisa a cierta altura del fondo del tanque. Figura 2.8 Movimiento de la paleta por bisagra Figura 2.9 Esquema del panel actuado por bisagra El movimiento por pistón es usado para simular escenarios de aguas poco profundas, donde la profundidad del agua es inferior a la mitad aproximadamente de la longitud de onda. Aquí, el movimiento de las partículas orbitales se comprime en una elipse y que hay un movimiento horizontal significativo en el piso del tanque. Este tipo de pala se utiliza para generar ondas para el modelado de estructuras costeras, puertos y dispositivos de energía montado en la orilla de onda. Los primeros tanques diseñados fueron hechos a medida de los laboratorios donde eran utilizados, por lo tanto eran diseños únicos e innovadores, éstos incluían pistones de desplazamiento, cuñas deslizantes y otras máquinas más complejas como los deslizadores de doble bisagra. El objetivo de este diseño es tratar de igualar el movimiento del pallet para reducir al mínimo las ondas evanescentes delante del pallet. Estas olas no deseadas naturalmente se descomponen pero reducen su amplitud al mínimo el espacio utilizable enfrente del pallet. Figura 2.10 Movimiento de pallet por actuador Figura 2.11 Esquema del Panel actuado por pistón. Todos los pallets tendrán una frecuencia óptima cuando el movimiento horizontal esté muy cerca al movimiento del agua. Esta es la frecuencia donde la inercia del agua, o masa agregada, es la más baja. Como la frecuencia incremente entre el pallet y el movimiento del agua hace que la masa incremente. Este efecto puede ser visto en un taque de agua donde el pistón genera el movimiento de las olas con alta frecuencia, aunque el movimiento es pequeño, el pallet se mueve cuando un bloque de agua parece estar unido a él. Se necesitan pocas longitudes de onda de la ola para transformar este movimiento que viaja por el tanque. Las altas frecuencias no requieren de un algo poder pero pueden ejercer una inercia muy alta en la estructura. A frecuencias bajas el volumen desplazado por el pallet se limita a la altura de la ola. Un pistón que se desplaza dos veces con el mismo movimiento producirá entonces una ola del doble de altura. A pesar de las cargas que sean bajas, el enfoque del diseño se centra en el movimiento del pallet y prevención de fugas en la estructura. Ancho del canal La elección del ancho del tanque depende de de las pruebas a las que vaya a ser sometido el modelo. La forma más sencilla del tanque es de un pallet sencillo, con un canal estrecho que representa una imagen en 2D, con un modelo que bloquea el ancho del canal. Este tipo de modelo es relativamente fácil de analizar porque las olas y el flujo actúan en un solo plano. La visibilidad es excelente y los modelos son fáciles de conseguir. Es un tanque muy bueno y económico para principios de investigación. Con canal ligeramente más ancho con un solo pallet pueden obtenerse modelos en 3D con modelos de olas de cresta largar donde se pueden observar dichos efectos. El problema principal es que al incrementar el ancho del canal la frecuencia de las olas se convierte muy cercana a la frecuencia de resonancia del canal. Por ejemplo, un canal de 0.7 m de profundidad, 1.2 m de ancho tiene una ola de 0.78 Hz. El modelo más real de un mar mixto se inspira en un canal ancho con múltiples pallets de control individual. Su software permite una amplia gama de olas y el espectro de ola que se desee generar. El ancho del canal depende del ancho del modelo y del ángulo requerido por las olas. Longitud del canal El canal debe de tener la longitud suficiente para permitir tres áreas distintas. La primera debe de haber un pallet y el suficiente espacio para el envanecimiento y decadencia de las olas. Las olas se manipulan desde un control de pallets para viajar aproximadamente el doble de la profundidad. La zona del tamaño depende de la medida y movimientos del mismo. Los tanques de los remolques son el ejemplo extremo donde la longitud del tanque debe de ser suficiente para acelerar, desplazarse y desacelerar a tiempo. Para la combinación de ancho de los canales y su longitud es lo que determina el ángulo de las olas en cada modelo. Finalmente las olas absorbidas en las playas la cual, debe de ser al menos la mitad de su longitud para la absorción del 90%. Tamaño del pallet. El movimiento angular del pallet es determinado por la calidad del sistema de control. Con la retroalimentación es razonable ejecutarlo a +/-12 grados. Con alguna retroalimentación de fuerza o corrección de segundo orden tendrá un desplazamiento de +/- 18 grados. .Los pistones pueden mover grandes distancias y son generalmente designados con una fuerza del 50-100% de la profundidad del agua. Un pallet para generar solitones deberá requerir de la distancia total de dos veces la profundidad del agua. El primer análisis de la generación de olas fue publicado por Biesel y Suquet (1951) y ofreció soluciones de relación entre las alturas de las olas, su fuerza tanto para bisagras como para pistones generadores de olas. Éste fue refinado por Gilbert, Thompson y Brewer (Gilbert et al., 1971). El análisis está basado en la teoría lineal y no toma en cuenta las olas que se rompen. La alta frecuencia de las olas es limitada por su rompimiento; para olas regulares la pendiente límite es de 1:7 porque la curva linear de las olas es combinada con la de límite de ruptura. Esta tendencia sobreestima el tamaño límite de la ola por lo que una solución práctica es truncar la parte superior del 15% de la curva. El pallet entonces creará olas por encima de su altura pero no serán inadecuadas para la búsqueda de una demostración útil. La baja frecuencia de las olas es limitada por el desplazamiento del pallet. Como se aproxime la guía del pallet, debe extenderse sobre el 25% de la bisagra a fondo por encima de la línea de flotación. Pallets Múltiples Un estanque de pallets controlados puede producir olas con ángulo por el control de cada pallet. El más común es un estanque rectangular con una línea de pallets del lado contrario de la playa. Al inicio puede parecer algo muy complicado, pero este puede ser usado para reflejar las olas que atraviesan por el estanque así que el ángulo virtual que las olas pueden cubrir es amplio, inclusive más que el ancho del estanque. Los softwares pueden ser demasiado versátiles y puede generar olas de 90° con los pallets. Los estanques de olas en 3D son notoriamente complejos en el ambiente experimental y éste es un fuerte argumento para mantener un diseño simple, donde haya sólo un lado de absorción y dos lados generadores. Varios estanques de longitud considerable tienen pallets a lo largo de dos lados ene forma de L con las playas en los otros lados. Son especialmente útiles si hay corriente en el estanque, entonces, las olas pueden direccionarse con la dirección de la misma. Este arreglo conlleva una geometría ardua de realizar donde las dos zonas de pallets que son las que generan las olas se ven afectadas ya que la playa puede reflejar las olas hacia los pallets. El control total de los pallets da cabida a la generación de cualquier ola que se desee generar. Muchos estanques tienen pallets que pueden realizar olas para darles la dirección adecuada. El ángulo y la frecuencia deseada y el presupuesto determinado dan cabida a la elección del pallet. Los pallets múltiples pueden generar olas hasta un límite, el cual es determinado por la anchura del pallet y la longitud de la ola. Normalmente este límite puede ser ajustado, donde la longitud de la ola es de 2 a 4 veces el ancho del pallet. Cerca de este límite los pallets generan un “fantasma”, que es una ola desfasada 90° de la ola principal. Sistemas de control y manipulación Los primeros pallets usaron una manivela para producir el movimiento sinusoidal. Un brazo mecánico ajustable al movimiento y velocidad del motor para controlar su frecuencia. Algunos estanques utilizaban pallets segmentados que podían producir ángulos en las olas por la etapa de la biela-manivela de un eje de accionamiento común. Este mecanismo no fue empleado para olas al azar y se necesitaba mucho tiempo para su ajuste. En 1950 las máquinas más grandes usaban una unidad hidráulica con servo válvulas y un sistema eléctrico de control que podría ser direccionado con un voltaje analógico. La mayoría de las embarcaciones de la naval tuvieron un servo accionamiento hidráulico capaz de generar olas al azar. Con el servo control era posible controlar el movimiento de los pallets desde un cuarto de control. Las olas de frecuencia sencilla eran producidas con un generador de olas, los espectros complejos eran generados usando un banco de filtros ajustables para seleccionar frecuencias provenientes de una fuente de ruido blanco. A finales de los sesentas los amplificadores operacionales abrieron el camino para que el control y dirección de los sistemas servo eléctricos fuese posible. El tamaño y fiabilidad de los componentes electrónicos mejorara drásticamente en los años 90´s así que ahora son más competitivas las máquinas hidráulicas a excepción de los pallets para ola de mayor tamaño en el mercado. El control se ha convertido mucho más sofisticado con los controladores digitales para la corrección de olas reflejadas y los armónicos de segundo grado. Todos los tanques modernos generadores de olas tienen un software para manipular los pallets. Los datos para cada pallet es también pre-computarizado o generado a tiempo real. Es una técnica comúnmente usada para crear ondas individuales sinusoidales mucho más complejas. La frecuencia, amplitud, ángulo y definición de fase definen una ola. En resumen, las olas individuales generan mareas multi-espectrales. Las funciones integradas que permiten olas sinusoidales, crestas altas de olas con espectros múltiples y mareas mixtas. Absorción de los generadores de olas Todos los estanques donde se generan las olas tienen frecuencia de resonancia y seguido miente esta con la frecuencia de trabajo. Una buena playa absorberá mucha energía pero hay un pequeño efecto en las olas de cruz o algún reflejo de este modelo. Esto puede ser una mayor limitante en los tanques de arrastre donde la productividad de toda la instalación es determinada por el tiempo de establecimiento después de que se ha completado la ejecución. Estos generadores pueden aumentar la producción drásticamente ya que disminuyen el tiempo entre carreras sin hacer olas con espurias. Los generadores de olas tradicionales trabajan con un control de retroalimentación. Este tiene la desventaja de que el volumen desplazado por el pallet es dependiente del nivel del aguan enfrente del mismo. Entonces, como consecuencia, la altura de la ola depende de muchos factores, incluyendo el tamaño de la ola o una playa de bajísima calidad. Durante los primeros ensayos con el Duck, el convertidor de olas del profesor Stephen Salter, encontró que la altura de las olas puede variar en un 30% lo que hacía muy difícil una medida de absorción para el dispositivo. Los primeros experimentos no fueron válidos, debido al reflejo que producían las olas, como consecuencia se producían olas inestables. Se superó este problema por la retroalimentación en el generador (Salter, 1981). Ahora el control de absorción es calculado por un control digital para que la absorción sea totalmente predictible y pueda optimizar las condiciones específicas. Otros investigadores han implementado una absorción de olas usando distintas técnicas como la medición de la ola montando un sensor en el frente del pallet. Esta señal llega al controlador del pallet y el movimiento es modificado para absorber la humedad y las ondas no deseadas. Figura 2.12 Pallet de bisagra con control de posición simple, tiene mayor volumen de regreso de ola porque el nivel es más alto. Figura 2.13. Pallet de bisagra donde el volumen es menor cuando regresa la ola Figura 2.14 Pallet de pistón con control de simple posición, tiene un mayor volumen de agua al regreso de la ola, así que hace olas más grandes. Figura 2.15 Menor volumen de regreso de ola Playas Las olas, después de que pasan el canal, tienden a ser absorbidas. Hay una amplia variedad de diseños de playas y la mejor lista es dada por Ouslett & Datta (1986). Fueron realizados algunos estudios para evaluar el rendimiento de alrededor de 48 playas. Un factor de un mecanismo innovador de porosidad, generalmente se canaliza el flujo del agua de las olas para que sea transferido a la playa y no haya un regreso en la misma. Del mismo modo la rugosidad de la superficie se utiliza a menudo para disminuir el regreso de la ola. Conclusiones significantes son: Se espera un reflejo de hasta el 10%, incluso para playas de excelente diseño y el porcentaje de reflejo tiende a incremente con la altura de las. Aparenta ser muy difícil alcanzar niveles de reflejo menores al 10% para amortiguadores menores del 0.5 al 0.75 de la altura de la ola. La porosidad del 70% es una de las causas que hace que el coeficiente de reflejo disminuya en un 2%. La mayoría de las playas tienen una inclinación entre 1:6 y 1:10 con respecto a la el espejo libre de agua. La absorción, especialmente en los estanques amplios, es difícil de definir. Es dependiente de la amplitud, ángulo y frecuencia. Muchos de los mecanismos que son utilizados, disipan la energía en base al número de Reynolds, ya que éste es alterado en playas que aunque son similares en diseño se ven afectadas por la escala. Otra dificultad con las playas es que al ser implementadas en los estanques son menos efectivas de lo que realmente son. Una ola reflejada tiene una absorción del 90% en la playa, de la energía será un 31% de la altura original de la ola. Las playas inclinadas no tienen una profundidad constante y pueden tener una pendiente de 30 grados. La estructura requerida por encima del espejo libre de agua debe de ser muy pequeña ya que la energía se puede perder y en consecuencia, la energía se disipa. Es muy útil dejar correr el agua sobre un extremo de la playa ya que hace que las olas no se reflejen y se absorba la mayoría de su energía. Esto se puede reducir cubriendo la superficie con una capa de espuma o malla para que absorba las olas. Las cargas en las olas pueden ser altas y eso es de vital importancia para un diseño por encima de estas cargas. Las playas son también sujetas a la fatiga y a la carga directa. Es muy importante considerar los puntos de montaje de la estructura ya que soportara la carga del estanque. Las playas con pendiente no trabajan muy bien en tanques muy profundos. Una alternativa es usar mallas. Varias capas de plástico disipan las olas que fluyen que crean millones de remolinos y al evitar esto sería como si se tuviera olas con una longitud indeterminada. La velocidad del flujo varía en función de las distintas olas y debe aumentar progresivamente con la profundidad y distancia de las olas. De ello habla plenamente Taylor et al (2003). Guía para pruebas de laboratorio de las WEC . Las pruebas con las WEC (convertidores de energía de olas) en estanques, tanto estrechos como anchos, ha jugado un rol importante en los estudios de la energía de las olas y es ampliamente aceptada, por ser esencial para la calibración y validación de modelos matemáticos y numéricos. Muchos dispositivos son probados de una manera rigurosa para validar un modelo matemático o en su defecto, para suministrar información vital durante el proceso de diseño. Hay dos características fundamentales para la prueba de un estanque el cual no tiene dirección analógica en los programas de modelado. Los estanques de agua suelen ser muy caros en su construcción y esto es especialmente para tanques demasiado anchos, con muchos pallets capaces de crear mareadas multidireccionales; además, no son fáciles de mover de un sitio a otro y no pueden ser útiles sin un software para olas, además, de un personal altamente capacitado para los problemas que puedan surgir. Esto significa que los estanques de olas son inversiones importantes tanto en materiales, como en experiencia y es importante tener las estrategias correctas para su máxima utilización de las mismas. Los estanques de olas generalmente son construidos por programas para trabajo específico, pero han sido utilizados para propósitos fuera de su contexto original. Por ejemplo, una plataforma diseñada para alta mar de la industria petrolera pude ser ocupada para el estudio de redes de peces para lugares cercanos a la costa y tal vez también para convertidores de energía de las olas en aguas mucho más profundas. Sin embargo, a pesar de la capacidad de los estanques de olas para realizar una serie de tareas, éstas son pruebas en estanques específicos hacia los WEC. Una de las principales es la práctica de pruebas estándares para plataformas en alta mar que consiste en vigilar el comportamiento del modelo bajo condiciones específicas de olas y tal vez la medida de las presiones y fuerzas en las plataformas o sistemas de tensado; estas pueden ser pruebas muy difíciles, pero para los dispositivos de energía de olas, hay una dificultad al incluir un mecanismo de arranque. Es sabido que la OWC fue uno de los primeros dispositivos que superó con éxito las etapas de demostración como prototipo y creación a escala real. Esta situación ha surgido debido a la razón de un mecanismo de arranque, una turbina de aire, que es suficientemente desarrollada para el uso inmediato, las OWC pueden elaborarse en la costa con una construcción relativamente fácil, en un entorno más benigno que la propuesta de alta mar. Una consecuencia de este progreso, es que las OWC tienen amplios programas de pruebas; sin embargo, algunos de estos problemas que actualmente están encontrados por las OWC serán de importancia directa para los WEC de alta mar en etapas de su desarrollo. Estos problemas pueden deberse tanto a la geometría y características de fuerza del dispositivo. Prácticas de Laboratorio La mayoría de los programas de laboratorio han seguido los mismos curos teóricos en paralelo a los estudios prácticos, en el que el trabajo inicial es en dos dimensiones (2D) y luego se amplía a tres dimensiones (3D). La terminología del estanque estrecho es usualmente reservada para experimentos donde los fenómenos genuinos en 2D y los estanques amplios se enfocan a los casos de 3D. Tanto las olas regulares como irregulares pueden ser usadas en ambos casos. La relación de construcción, combinada con los bajos costos de operación, significa que más instituciones también posean o al menos tengan el acceso a un estanque estrecho. Al trabajar en estanques estrechos se tiene muchas ventajas y el uso de modelos de 2D junto con la investigación, que se puede justificar por la ciencia y la ingeniería. Los experimentos de mejor calidad a menudo se realizan en estanques estrechos por la simple razón de que las condiciones que se generan son muy buenas en escalas muy pequeñas y el grado de control que se puede tener sobre las condiciones experimentales es generalmente muy bueno. Muchos de los equipos de experimentos sofisticados tal como la absorción de los pallets (o también playas) y los medidores cilíndricos de olas que trabajan mejor en estanques estrechos, éstos se deben de reconocer para el desarrollo de estos equipos. El número de dificultades que conlleva los estanques amplios son varios. Para empezar una cotización es mayor, sin incluir el personal y el incremento de los experimentos es mayor aunque sean de una magnitud semejante. Aquí hay una mayor incertidumbre de error, debido a los pallets, las pruebas y el estanque. Efectos a escala Una de las dificultades más conocidas en experimentos con dispositivos de energía de olas es la que presenta los efectos a escala. Esto ocurre por si solo en el experimento, o experimentos similares usando la misma facilidad, es elegido para investigar el comportamiento de un dispositivo con un modelo a escala elegido generalmente no suele ser apropiado por todos los fenómenos que son asociados con el comportamiento de la hidrodinámica. Las pruebas iniciales para un dispositivo (en cualquier estanque angosto), usualmente utiliza la escala Froude la cual es gobernada por la cinemática de las olas. Aunque esto es fácil de adoptar, el rango de los WEC puede presentar problemas. Por ejemplo, las dimensiones horizontales de un amplio ancho de canal de unos cientos de metros o más. La dificultad que presenta las pequeñas escalas son los efectos de viscosidad, debido a las escalas escogidas en los laboratorios que no son a escala completa, pueden degradar las pruebas en los modelos y no permitir la comparación entre las pruebas de modelo para dispositivos que se llevaron a cabo utilizando las mismas instalaciones. También hay un número de fenómenos los cuales no pueden ser en una escala apropiada en pruebas para estanques estrechos o estanques anchos. En los modelos experimentales estas pruebas son relativamente innecesarias cuando se compara la determinación del comportamiento de la hidrodinámica. Sin embargo, todos los efectos son asociados con cualquier fluido real o efectos no lineares y algunos de ellos poseen una capacidad catastrófica potencial. Canal finito y efectos de amplitud El propósito principal de éstos es reproducir condiciones de mar abierto en un modelo a escala. Sin embargo, siempre para tanques anchos la influencia del canal en la hidrodinámica puede ser apreciable y el comportamiento más representativo puede ocurrir en el estanque es más representativo en un movimiento con un dominio finito que se desea en condiciones del mar. El fenómeno es reconocido a un nivel fundamental y la notación puede ser usada para describir el modelado en 3D. La influencia del ancho del canal es considerable en muchas formas, particularmente en considerar la distribución de la presión sobre el cilindro o cilindros, la superficie y el reflejo transmitido en los estanques de olas. Parece probable que hay conclusiones similares para cuerpos que poseen geometrías más generales y para olas irregulares, aunque estas no se hayan estudiado extensivamente, y cada resultado tenga implicaciones importantes para pruebas de laboratorio de los WEC. Aunque, trabajos recientes sugieren que esas implicaciones son muy importantes y las pruebas de arreglos en particular no requerirán de un cuidado considerable en los efectos de estanques de la interacción entre los miembros del arreglo. Referencias Airy, G. B., Tides and Waves, Metropolitan Encyclopedia, 1845. Alves, M., Incident Wave Identification, MARETEC/AWS Internal Report, Lisbon, Portugal, 2002 Army Corps of Engineers: Coastal Engineers’ Manual, 2006. 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