INGENIERÍA TECNOLOGÍA Y CIENCIAS APLICADAS

Disponible en www.upmetropolitana.edu.mx Ingeniería, Tecnología y Ciencias Aplicadas, 01 (2016): 32-36 [Engineering, Technology and Applied Sciences]

Diseño de una turbina para corrientes marinas [Sea current turbine design] V. Castillo-Jiménez1*, J. Valle-Hernández1, D. Fuentes-Hernández1 1

Programa Educativo de Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo, Boulevard de acceso a Tolcayuca 1009, Ex Hacienda de San Javier, Tolcayuca, Hidalgo, México, C.P. 43860. *E-mail: [email protected] Recibido noviembre, 2015; aceptado febrero, 2016

Abstract The work included herein presents the design of a marine turbine for the sustainable exploitation of energy resources in National Waters´ sea currents. Electricity generation on ocean currents account for outstanding advantages compared to other renewable resources, for instance due to forecasting possibilities of the tide dependent resource. The energy production of this system and the choice on the most optimum turbine location may therefore be projected to some extent in advance. On the same path, it shows a higher energy potential into what aeolian energy is concerned because the available power of a fluid is proportional to its density. Given that water density is considerably higher than that of air, an important increase on its energy potential is compelling. The swift in this property carries out substantial impact on energy production. The following document suggests the design of a marine turbine, starting with the selection of the aerodynamic foil used in the prototype, with the main foil selection parameter being avoidance of the cavitation phenomenon on the marine turbine blades and greater aerodynamic performance. The design undergoes BEMT (Blade Element Momentum Theory) methodology aided by QBlade software analysis and is finally processed into CAD software, which will build the foundations for future analysis from a CFD perspective.

Keywords: marine turbine, cavitation, aerodynamics foil, BEMT, QBlade. Resumen En el presente trabajo se plantea el diseño de una turbina marina para el aprovechamiento del recurso energético disponible en las corrientes marinas de las aguas nacionales. La generación eléctrica por corrientes marinas tiene numerosas ventajas frente a otros recursos renovables tales como, que es un recurso predecible al depender de las mareas, gracias a esto se puede planear con cierta antelación la producción de energía de este sistema y la elección del emplazamiento más óptimo de las turbinas, así mismo posee una mayor potencial energético respeto a la energía eólica, ya que la potencia disponible de un fluido es directamente proporcional a la densidad del mismo, dado que la densidad del agua es considerablemente mayor que la del aire, su potencial energético se incrementa de forma notable, por lo que un cambio en esta propiedad impacta de forma cuantiosa en la producción de energía, En el presente documento se plante el diseño de una turbina marina, partiendo de la selección de los perfiles aerodinámicos a emplear en dicho prototipo, teniendo como principal parámetro de selección aquellos perfiles que eviten en la medida de lo posible el fenómeno de cavitación sobre las palas de la turbina mariana y ofrezcan un mayor rendimiento aerodinámico, posteriormente se realiza el diseño mediante metodología BEMT (Blade Element Momentum Theory) haciendo uso del software de análisis QBlade, por último se plasma el diseño en software CAD, el cual servirá para trabajos futuros de análisis bajo la perspectiva de CFD.

Palabras clave: turbina marina, cavitación, perfil, BEMT, QBlade.

1. Introducción En el esfuerzo global para modificar la matriz energética a favor de energías sustentables, se ha puesto énfasis en los desarrollos

y la inversión económica preponderantemente en dos tecnologías: la energía eólica y la solar. Sin embargo, ambas 32

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tecnologías adolecen de limitaciones que condicionan sus prestaciones. Contrariamente, la energía acumulada en mares y océanos en la forma de mareas, olas y corrientes se comporta en forma previsible y contenida en un fluido 830 veces más denso que el aire. En ese sentido es notable que los métodos para aprovechar la energía presente en los inmensos reservorios líquidos del planeta hayan merecido menos atención. Por lo cual, en los últimos años se advierte un mayor interés en el desarrollo de tecnologías orientadas a aprovechar este recurso (Seth et al., 2005). Durante las últimas décadas del siglo pasado se encaró el aprovechamiento de las mareas utilizando un criterio que replicaba la tecnología de las centrales hidroeléctricas. Pero este diseño es sólo aplicable a las escasas ubicaciones geográficas que presentasen altas diferencias de altura entre mareas y la posibilidad de cerrar mediante un dique la boca del estuario o entrada de mar. Esto limitó fuertemente el número de emprendimientos y permite entender el escaso interés que despertó la energía mareomotriz frente al desarrollo eólico y solar. En los últimos años se ha producido una revalorización del potencial mareomotriz, con un cambio de paradigma en el diseño de los sistemas de captación de la energía. La gran experiencia obtenida en el desarrollo y crecimiento de la energía eólica se comenzó a volcar en espejo a aplicaciones marinas. Con lo cual se comprendió que es posible aprovechar la energía cinética diseminada en todas las masas en movimiento. Y que la captación de la energía cinética presente en mareas, olas y corrientes podía ser aprovechada modularmente, como se hace con el viento, sin necesidad de partir con grandes obras, sino utilizando repetidas y pequeñas unidades generadoras. Este concepto aumentó exponencialmente los lugares proclives a ser aprovechados. Por lo cual el diseño de las turbinas marinas es de suma importancia para aprovechar de forma efectiva el potencial de mares y océanos, tomando como base las experiencias ganadas durante décadas en el diseño de turbinas eólicas, a partir de lo cual se desarrolló una metodología similar a la que se le sumo el análisis de cavitación, fenómeno de suma importancia en este tipo de tecnología a implementar, lo cual en su conjunto comprende el objetivo principal de esta investigación 2. Metodología La metodología consistió en tres etapas: 1) dimensionamiento y potencia del prototipo; 2) elección de los perfiles aerodinámicos para el diseño de la pala; y 3) uso del software QBlade para el diseño geométrico de la pala. 2.1. Dimensionamiento y potencia del prototipo Dado que ningún dispositivo puede captar toda la potencia que atraviesa el área ocupada por el mismo, debido a las limitaciones que imponen la ley de Betz y otros condicionamientos mecánicos, sólo un porcentaje de esa potencia puede ser convertida en potencia efectiva (ecuación 1). =

Ecuación 1

El factor CP (Coeficiente de Potencia), en la práctica su valor máximo varía en función del número de palas de la turbina (B), así como de la velocidad especifica (λ). Manwell J. (2002), plantea un estudio a partir del cual se puede calcular el CP en función de las variables mencionadas. Una turbina eólica de tres

palas generalmente opera con una velocidad especifica de entre 6 y 8 para alcanzar el máximo CP. En el caso de las turbinas marinas la velocidad especifica típica de operación ronda entre 4 y 5 para mitigar el fenómeno de cavitación en la punta como en la superficie de las palas. Para el caso de esta investigación se seleccionó un turbina conformada por tres palas (B=3) y una velocidad especifica de λ=4, con lo cual se concluye que en teoría el prototipo bajo estudio tendrá un CP=0.5. El dispositivo que se pretende diseñar requiere generar una potencia de 1MW como base. A partir de los datos anteriores y la suposición de una velocidad media (Vmedia) de la corriente de 2.15 m/s, se hace uso de la ecuación 1 para calcular el largo de la pala a emplear en el diseño (ecuación 2). =

=

→

=

≈ 12

Ecuación 2

2.2. Elección de los perfiles aerodinámicos para el diseño de la pala Dado que los coeficientes de sustentación y arrastre juegan un papel importante en el diseño y funcionamiento de la turbina, la selección de los perfiles es de suma importancia. Para realizar esta selección las tres variables principales involucradas en este proceso fueron, el máximo coeficiente sustentación (Clmax), el cociente de los coeficientes sustentación y arrastre (Cl/Cd) y coeficiente de presión mínimo (Cpmin). Un alto Clmax es deseado para maximizar la sustentación producida por el perfil, así mismo a mayor coeficiente Cl/Cd se tendrá un incremento de la potencia generada. Por último, a diferencia de los perfiles utilizados para el diseño de turbinas eólicas, el valor mínimo del coeficiente de presión (Cpmin), es un parámetro crítico para mitigar la cavitación sobre la superficie y punta de las palas de la turbina. El análisis y la selección también tomo en cuenta las consideraciones estructurales que son de suma importancia en estructuras sometidas bajo una constante esfuerzo por parte de las corrientes marinas. 2.3. Cavitación Una de las principales preocupaciones en el diseño de turbinas marinas que puede afectar de forma directa la potencia generada es el fenómeno de la cavitación. La cavitación ocurre cuando la presión local es menor que la presión de vapor del líquido en cuestión, lo que resulta en la formación de pequeñas burbujas de vapor del líquido circundante (Holl, 1979). El ruido y daño por cavitación son causados por el colapso o implosión de las pequeñas burbujas formadas durante la evaporación del líquido. Para determinar si el proceso de cavitación se presenta sobre la superficie de la pala, una comparación entre el coeficiente mínimo de presión (Cpmin) del perfil bajo estudio y el número de cavitación (σcavitación) debe realizarse. El coeficiente de presión es definido como la diferencia entre la presión local y la presión de la corriente libre de fluido sin perturbar, dividida entre la presión dinámica como se presenta en la ecuación 3. =

Ecuación 3

El número de cavitación se define como (ecuación 4): ó

=

Ecuación 4

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Para que se tenga una operación de la turbina libre de cavitación se debe cumplir que: ó

>−

Ecuación 5

Para el diseño que se realizó se consideró una profundidad de la turbina a partir de la superficie oceánica de 30 m, que es donde se presenta las corrientes más fuertes en la zona escogida para el emplazamiento de dicho mecanismo. A partir de esto se concluyó que la turbina estará libre de cavitación si los perfiles cumplen con la siguiente restricción (Kinnas et al., 2009; Batten et al., 2006; Lee, 2011). 5>−

Ecuación 6

De la gran gama de perfiles aerodinámicos se realizó la selección de cuatro familias importantes de perfiles para el diseño de la pala, las cuales son las siguientes. 2.4. NREL La familia de perfiles diseñados por NREL (National Renewable Energy Laboratory), fueron hechos especialmente para turbinas eólicas a diferencia de otras familias que tiene como fin la industria aeronáutica. Sus características principales bajo las que fueron diseñados son, su elevado coeficiente de sustentación/arrastre (Cl/Cd) a bajos ángulos de ataque, la poca sensibilidad a la rugosidad y/o suciedad de su superficie y un bajo arrastre. Se seleccionaron los perfiles S816 y S817, que fueron diseñados para palas de entre 30 y 40 metros, para las secciones medias y punta de la pala respectivamente. 2.5. Delft Los perfiles diseñados por la Universidad de Delft actualmente son empleados en la manufactura de turbinas eólicas con diámetros que van de los 30 a los 100 metros (Timmer, W., et. al. 2003). Los perfiles DU91-W2-250 y DU93-W-210 son perfiles diseñados para las secciones medias y punta respectivamente, los cuales fueron diseñados con un Clmax aproximadamente de 1.5, así como la insensibilidad a la rugosidad de la superficie (Bertagnolio et al., 2001). El perfil planteado para la sección punta DU93-W-210 fue diseñado también para minimizar el ruido evitando los vórtices generados. 2.6. NACA La NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) predecesora de lo que hoy es la NASA, en la primera mitad del siglo XX desarrollo los que hoy en día son los perfiles aerodinámicos más conocidos y usados a nivel mundial. Dentro de la gran gama de familias que tiene, el grupo de perfiles de 6 dígitos posee la característica de tener un coeficiente de presión mínima Cpmin, menor que el de los demás grupos, lo que lo hace idóneo para el uso en turbinas marinas evitando en la medida de lo posible el fenómeno de cavitación. Para el diseño en cuestión se eligieron los perfiles NACA 63-418 y NACA 63-415. 2.7. Flatback El desarrollo de perfiles especiales para el empleo en aerogeneradores, además de tomar en cuenta las características aerodinámicas también debe de considerar los esfuerzos estructurales a los que se ve sometida la pala, de forma especial en las zonas cercanas a eje de rotación, El uso de perfiles aerodinámicos muy gruesos con el espesor del borde de arrastre aumentado en la raíz de la pala pueden mejorar la capacidad estructural de las palas, así se desarrollaron los

perfiles llamados Flatback. Se ha demostrado que los perfiles gruesos con borde de arrastre romo tienen excelentes características de sustentación que son mucho menos sensibles a la suciedad superficial que los perfiles de borde de arrastre agudo de igual espesor. Estos perfiles tienen el potencial de disminuir los costos de generación de energía debido a que sus secciones más gruesas permiten palas más ligeras (mayor momento de inercia) y el incremento en las características de sustentación pueden permitir mejoras en el desempeño de los rotores. Para el prototipo bajo diseño se analizó la factibilidad de hacer uso de los perfiles flatback TR-4000-1000 y FB-4000-1000, en la zona cercana al eje de rotación que es donde se presentan los esfuerzos estructurales ms grandes, estos dos perfiles se desarrollaron por el Sandia National Laboratories (Van Dame et. al., 2008). Posteriormente se realizó un análisis de la aerodinámica de cada uno de los perfiles planteados anteriormente, con la finalidad de encontrar las mejores características y hacer la elección más adecuada para los requerimientos del diseño, en la tabla 1 se muestran los resultados del análisis realizado. Tabla 1. Características aerodinámicas de los perfiles bajo estudio.

Familia

Perfil

NREL NREL Delft Delft NACA NACA Flatback Flatback

S816 S817 DU91-W2-250 DU93-W-210 63-418 63-415 TR-4000-1000 FB-4000-1000

Cl

max

0.865 0.728 0.955 1.08 0.705 1.143 2.44 2.16

 Cl     Cd  max

 Cl   para    Cd  max

162 185.2 148 165.5 115.5 104.8 101 105.3

4.5 3 4 4.5 3 7.5 13.8 12

A partir de las características planteadas en la tabla 1, se descartó al perfil NACA 63-418 para ser parte de la sección media, dado su bajo rendimiento aerodinámico representado por el coeficiente sustentación/arrastre (Cl/Cd), en comparación con sus similares los perfiles DU91-W2-250 y S816. A si mismo se descartó el uso del perfil NACA 63-415 para ser parte de la sección punta de la pala, por presentar de igual forma un bajo coeficiente sustentación/arrastre (Cl/Cd), en comparación con los perfiles DU93-W-210 y S817 propuestos para esta sección. Además de las características planteadas en la tabla 1, como siguiente parámetro de selección se debe de tomar en cuenta el comportamiento del coeficiente de presión a lo largo de cada uno de los perfiles. Como se mencionó anteriormente esto permitirá predecir la presencia del fenómeno de cavitación. Para lo cual se presentan las gráficas del coeficiente de presión mínimo (Cpmin) de cada uno de los perfiles no descartados aun, así como la comparación frente el número de cavitación (σcavitación) para las condiciones de operación seleccionadas. A partir de la figura 1, se seleccionó el perfil FB-4000-1000 para la sección de la base de la pala dado que, este presenta un comportamiento más suave en el Cpmin , así como que el valor máximo que puede alcanzar esta menos cercano al número de cavitación que para el perfil TR-4000-1000. En el caso de los perfiles para la sección media, se seleccionó el perfil S816 dado que como lo muestra la figura 2, este alcanza un valor máximo para el Cpmin menos cercano al número de cavitación calculado para este diseño, en comparación con el perfil DU91-W2-250, así como cambios menos abruptos para esta parámetro. Para la sección punta el perfil del que se hizo uso fue el S817, como se observa en la figura 3 este tiene un Cpmin mucho menor al número de cavitación en contraste con el perfil DU93-W-210.

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Figura 1. Cpmin en función de la posición sobre la superficie de los perfiles Flatback.

Figura 4. Entorno de trabajo de QBlade para el diseño de la pala. 3. Resultados

Figura 2. Cpmin en función de la posición sobre la superficie de los perfiles para la sección media de la pala.

Los resultados arrojados por el software QBlade se presentan en la tabla 2. En esta tabla se aprecian la posición de cada una de las secciones que componen el diseño, el largo de la cuerda de cada perfil de cada sección, el ángulo de incidencia de cada perfil respecto del plano de rotación de la turbina y por último el nombre de cada perfil usado en su respectiva sección de la pala diseñada. Tabla 2. Características geométricas de la pala diseñada.

Figura 3. Cpmin en función de la posición sobre la superficie de los perfiles para la sección punta de la pala. 2.8. Uso del software QBlade para el diseño geométrico de la pala Qblade es un software para el diseño de turbinas de plataforma de código abierto, distribuido bajo la licencia GPL (figura 4). Qblade se basa en un algoritmo de la metodología BEMT. El software hace uso de XFOIL, una herramienta de diseño de perfil aerodinámico y el análisis. Esta integración permite al usuario diseñar rápidamente superficies de sustentación personalizadas. En el software QBlade como primer paso, se importaron los perfiles que se usaron para el diseño de la pala, es decir los perfiles FB-4000-1000, S816 y S817, que previamente se seleccionaron en el análisis anterior. El siguiente proceso, consistió en realizar los polares de cada uno de los perfiles seleccionados, para lo cual se hace uso del software que viene integrado en QBlade llamado XFOIL. Se realizaron los polares en dicho software a un número de Reynolds de 5000000, valor promedio respecto de los parámetros geométricos y dinámicos de las condiciones estipuladas para el diseño (Walker, 2004), cada polar se realizó con un ángulo de ataque de -5° a 20°. Ya con los polares de los perfiles a usar en el diseño, se procedió a desarrollar la geometría de la pala según las dimensiones previamente calculadas, para posteriormente usar la metodología BEMT del que QBlade hace uso para calcular la geometría óptima de la pala.

Posición radial (m)

Largo de la cuerda (m)

Ángulo de incidencia

Perfil

0 0.25 0.5 0.83 1.11 1.38 1.94 2.5 3.1 3.88 5 6.1 7.2 8 8.8 9.43 10 10.5 11 11.2 11.4 11.6 11.8 12

0.7 0.75 0.83 1.11 1.28 1.4 1.37 1.33 1.3 1.25 1.1 1 0.9 0.83 0.75 0.7 0.63 0.58 0.52 0.48 0.45 0.42 0.39 0.38

20° 20° 20° 20° 19° 18° 18.5° 17° 16° 15° 12.02° 9.8° 8.3° 7° 6.2° 5.6° 5° 4.6° 4.2° 3.8° 3.6° 3.4° 3.2° 3°

Perfil circular Perfil circular Perfil circular FB-4000-1000 FB-4000-1000 FB-4000-1000 FB-4000-1000 FB-4000-1000 FB-4000-1000 S816 S816 S816 S816 S816 S816 S816 S817 S817 S817 S817 S817 S817 S817 S817

Así mismo en la figura 5 se presenta un diagrama de la pala en la que se muestran las familias de perfiles usados y las secciones que ocupan dentro del diseño, como se observa, cada familia de perfiles corresponden a las secciones para los que fueron seleccionados.

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Figura 5. Distribución de los perfiles en la pala y el comportamiento de la cuerda y ángulo de incidencia de la misma. La grafica adjunta muestra el comportamiento del tamaño de la cuerda a lo largo de la pala así como el ángulo de incidencia de cada sección, en comparación con el trabajo presentado por Gunjit et al., 2011, donde el diseño se basa en condiciones semejantes, los resultados son similares, teniendo una diferencia de aproximadamente 10% en el tamaño máximo de la cuerda, en el caso del ángulo de incidencia la diferencia entre los diseños es más notoria con un diferencia de aproximadamente un 55% para el valor máximo de este parámetro, no obstante estas diferencias se basan principalmente en el uso de perfiles diferentes, dado que Gunjit et al., 2011se basa en el uso de perfiles NACA a diferencia de lo planteado en el presente trabajo. 4. Conclusiones El diseño de una turbina marina, fue abordada tomando en cuenta dos parámetros importantes, el rendimiento aerodinámico de los perfiles y la mitigación del fenómeno de cavitación, así mismo el diseño final una vez seleccionado los perfiles adecuados se realizó bajo la metodología BEMT empleada por el software QBlade del que se hizo uso para el diseño final de la pala. La selección de los perfiles aerodinámicos se realizó en base a las familias desarrolladas especialmente para turbinas eólicas. Tomando en cuenta los requerimientos de tres secciones delimitadas en la pala de la turbina presentada en este trabajo, es decir la sección base que corresponde al área de la pala cercana al eje de rotación, donde se requieren perfiles con mejor soporte estructural por lo cual se hizo uso de perfiles flatback, la sección media y por último la sección punta, donde el mayor requerimiento corresponde al rendimiento aerodinámico (mayor Clmax, y mayor coeficiente sustentación y arrastre Cl/Cd. A si mismo se tomó un grupo de la familia de perfiles NACA para observar el relativo bajo rendimiento aerodinámico en comparación con perfiles específicos para aerogeneradores. A partir de lo anterior se realizó la selección de 2 perfiles para cada sección de la pala. Posteriormente se procedió con el análisis del fenómeno de cavitación, mediante la comparación del coeficiente de presión (Cpmin) sobre la superficie de cada uno de los perfiles con respecto al número de cavitación (σcavitación) calculado para las condiciones de diseño. A través de este último procedimiento se decidió hacer uso del perfil FB-40001000 para la sección base, el perfil S816 para la sección media y el perfil S817 para la sección punta respectivamente, dado que fueron los que mejor rendimiento aerodinámico presentaron y menos propensos a la cavitación. Los resultados obtenidos fueron empleados en la metodología BEMT usada por QBlade para realizar el diseño de la pala de la turbina.

Basados en el diseño final obtenido, se observó que el ángulo de incidencia mayor con respecto al plano del rotor fue de 20° valor mayor a lo usual en palas de similar tamaño, lo que se atribuye al uso del perfil flatback del que no se hace uso en los diseños de referencia, así mismo se obtuvo un valor máximo para la cuerda de la pala de 1.4 m en la sección correspondiente a los perfiles flatback, este valor es un poco menor de igual forma respecto de los diseños de referencia, sin embargo se infiere que la pala tendrá mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos que dichos diseños por el uso de tales perfiles, esto quedara corroborado en un estudio futuro correspondiente al análisis de esfuerzos. Los resultados del diseño son satisfactorios ya que presenta características similares a los diseños realizados bajo condiciones parecidas, aunado a que hace uso de perfiles novedosos (flatback) con respecto al diseño estructural que hasta el momento se cuenta con pocos estudios respecto de esta temática en este tipo de turbinas. En la siguiente etapa del proyecto se pretende realizar el uso de simulaciones desde la perspectiva CFD, para realizar un análisis más detallado del rendimiento hidrodinámico de la pala así como el cálculo de los esfuerzos a los que se ve sometida, con la intención de optimizar el diseño para que se obtenga la mayor eficiencia energética e integridad estructural. Referencias Batten W., Bahaj A., Molland A., Chaplin J. 2006. Hydrodynamics of marine current turbines. Renewable energy. 31(2): 249-256. Bertagnolio, F., Sorensen, N., Johansen, J., and Fuglsang, P. 2001. Wind Turbine Airfoil Catalogue. Riso National Laboratory. Gunjit B. 2011. Structural Design of the Tidal Current Turbine Composite Blade. Marine and Hydrokinetic Device Modeling Workshop NREL. Holl J. 1979. Introduction to Cavitation. Pennsylvania State University, November. Kinnas S. A., Xu W. 2009. Analysis of Tidal Turbines with Various Numerical Methods. 1st Annual Marine Renewable Energy Center Technical Conference, Fall River, MA, US. Lee J., Kim D., Rhee S., Do I., Shin B., Kim M. 2011. Computational and Experimental Analysis for Horizontal Axis Marine Current Turbine Design. Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany. Manwell J., McGowan J., Rogers A. 2002. Wind Energy Explained: Theory, Design, and Application: Wiley. Seth S. et al. 2005. Tidal energy in electric power systems. Proceedings of IEEE PESGM'05. 2:630-635. Timmer W., Van Rooij R. 2003. Summary of the Delft University Wind Turbine Dedicated Airfoils. Delft University Wind Energy Research Institute. Van Dame C. P., Mayda E. A., Chao D. D. 2008. Computational Design and Analysis of Flatback Airfoil Wind Tunnel Experiments. SAND2008-1782, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM. Walker S. R. J. 2014. Hydrodynamic interactions of tidal stream turbine and support structure. Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield, South Yorkshire England, Ph. D. Thesis.

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