Modelos de orde reducida basados en CFD para predición rápida de fluxos de vento en vertiportos
| Autoría | Pablo Domínguez Estévez |
| Data de defensa | 03/07/2023 |
| Titulación | Grao en Enxeñaría Aeroespacial |
| Centro | Escola de Enxeñaría Aeronáutica e do Espazo |
| Dirección |
Titoría: Elena Beatriz Martín Ortega |
| Tribunal |
Presidencia: David Álvarez González Vogalía: Carlos Castro Miguéns Secretaría: Diego Carou Porto |
| Resumo | Coa finalidade de deseñar un procedemento rápido e preciso para a determinación de rutas eficientes e seguras para UAS (Unmanned Aircraft System) en entornos urbanos é necesario predicir detalladamente os fluxos de aire alrededor das estructuras urbanas presentes nos emplazamentos para as diferentes predicións meteorolóxicas que se podan presentar no mismo. Para isto, neste traballo presentarase una metodoloxía baseada en (i) a elaboración inicial dunha base de datos numérica de ventos, realizada mediante técnicas CFD (Computational Fluid Dynamics) da zona de estudo, e (ii), a posterior explotación rápida desa base de datos empleando técnicas baseadas en Modelos de Orde Reducida (MOR), concretamente en Descomposición en Valores Singulares de Orde Superior (HOSVD). As simulacións CFD son capaces de predicir o fluxo medio do vento no emplazamento en escalas espaciais pequenas, da orde dun metro ou inferior, coa penalización de que o tempo de computación para obter a predición do vento é longo, da orde de horas ou días segundo o nivel de detalle e extensión da malla usada no CFD, tempo superior á validez das condicións meteorolóxicas. Porén, o MOR permite, en tempos de poucos segundos, predicir os fluxos de vento na zona de interese (co mesmo nivel de detalle que o CFD) para condicións meteorolóxicas non simuladas na base de datos. Por tanto, o Modelo de Orde Reducida é unha ferramenta robusta e eficiente para a descrición do fluxo de vento para as condicións atmosféricas previstas para o emplazamento, facendo posible a exportación de ditos datos á ferramenta de predición de rutas de UAS. Neste traballo preséntanse en detalle tanto a modelización CFD dun entorno urbano como o Modelo de Orde Reducida. Coa finalidade de reducir o tempo de preproceso dedicado á xeración da base de datos CFD e do MOR, móstrase a aplicación da ferramenta a un entorno de estudo simplificado. A predición de campos de vento usando o Modelo de Orde Reducida realízase en tempos de 2 s cun erro medio notablemente baixo (do 1%) respecto da simulación CFD do mesmo caso. Polo tanto, realízase unha predición de maneira correcta, aforrando tempo e recursos computacionais. Convén notar que a técnica HOSVD, a pesar de requirir un tempo de preproceso relativamente largo para a súa xeración, permite que a predición sexa moi rápida, ó comprimir de forma eficiente a información contida no problema CFD. A memoria deste Traballo Fin de Grao estructúrase da seguinte forma: no capítulo 2 comézase pola descrición do estado do arte e dos avances na técnica. A continuación, no capítulo 3, abórdase o proceso de elaboración e da xeometría da zona real e, no cuarto capítulo, discútese a elaboración da base de datos CFD coa xeometría simplificada. Seguidamente, no capítulo 5, preséntase o Modelo de Orde Reducida, así como os procesos de predicción rápida do campo de ventos para distintos casos e a súa precisión. Finalmente, nos capítulos 6 e 7, preséntanse as conclusións máis destacábeis e liñas de traballo futuras respectivamente. Este traballo foi posible gracias ó proxecto nacional PID2021-125060OB-I00 titulado ?SAFEVERTIPORT? e á concesión da beca de colaboración do Departamento de Enxeñaría Mecánica, Máquinas e Motores Térmicos e Fluídos, baixo a liña de investigación titulada ?Machine-Learning techniques to build Reduced Order Models in CFD problems. Application to wind flow predictions around buildings? Palabras clave: Mecánica de Fluidos Computacional (CFD), Modelo de Orden Reducido (MOR), Descomposición en Valores Singulares de Alta Orde (HOSVD), Sistema de Información Xeográfico (GIS), Simulación de terreo real |