Simulación transitoria de una mezcla no reactiva de aire, combustible y gases de recirculación dentro de una precámara de combustión de un motor

El objetivo del presente trabajo fue predecir, en función del tiempo, los campos de velocidad, presión, temperatura y concentración de especies químicas de una mezcla no reactiva de aire, gases de recirculación y combustible (iso-octano), en una pre-cámara de combustión de un motor CFR, mediante la técnica de la simulación numérica de flujo de fluidos. Para ello se revisó el procedimiento de la solución numérica de las ecuaciones de transporte, aplicadas a la pre-cámara de combustión del motor CFR. La simulación se basó en el software CFX 10. Se hizo un estudio de la sensibilidad de malla para adecuar el criterio de·convergencia que el software requiere. La pre-cámara de combustión empleada para este estudio fue una pre-cámara de combustión modificada de un motor CFR para hacer que el mismo funcione como un motor HCCI. El motor CFR está ubicado en la Universidad Politécnica de Madrid.

Simulación eficiente de mecanismos flexibles mediante formulaciones topológicas

El objetivo de esta Tesis es presentar un método eficiente para la evaluación de sistemas multi-cuerpo con elementos flexibles con pequeñas deformaciones, basado en métodos topológicos para la simulación de sistemas tan complejos como los que se utilizan en la práctica y en tiempo real o próximo al real. Se ha puesto un especial énfasis en la resolución eficiente de aquellos aspectos que conllevan mayor coste computacional, tales como la evaluación de las ecuaciones dinámicas y el cálculo de los términos de inercia. Las ecuaciones dinámicas se establecen en función de las variables independientes del sistema, y la integración de las mismas se realiza mediante formulaciones implícitas de index-3. Esta Tesis se articula en seis Capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una revisión bibliográfica de la simulación de sistemas flexibles y los métodos más relevantes de integración de las ecuaciones diferenciales del movimiento. Asimismo, se presentan los objetivos de esta Tesis. En el Capítulo 2 se presenta un método semi-recursivo para la evaluación de las ecuaciones de los sistemas multi-cuerpo con elementos flexibles basado en formulaciones topológicas y síntesis modal. Esta Tesis determina la posición de cada punto del cuerpo flexible en función de un sistema de referencia flotante que se mueve con dicho cuerpo y de las amplitudes de ciertos modos de deformación calculados a partir de un mallado obtenido mediante el Método de Elementos Finitos. Se presta especial atención en las condiciones de contorno que se han de tener en cuenta a la hora de establecer las variables que definen la deformación del cuerpo flexible. El Capítulo 3 se centra en la evaluación de los términos de inercia de los sistemas flexibles que generalmente conllevan un alto coste computacional. Se presenta un método que permite el cálculo de dichos términos basado en el uso de 24 matrices constantes que pueden ser calculadas previamente al proceso de integración. Estas matrices permiten evaluar la matriz de masas y el vector de fuerzas de inercia dependientes de la velocidad sin que sea necesario evaluar la posición deformada de todos los puntos del cuerpo flexible. Se realiza un análisis pormenorizado de dichas matrices con el objetivo de optimizar su cálculo estableciendo aproximaciones que permitan reducir el número de dichos términos y optimizar aún más su evaluación. Se analizan dos posibles simplificaciones: la primera utiliza una discretización no-consistente basada en elementos finitos en los que se definen únicamente los desplazamientos axiales de los nodos; en la segunda propuesta se hace uso de una matriz de masas concentradas (Lumped Mass). Basándose en la formulación presentada, el Capítulo 4 aborda la integración eficiente de las ecuaciones dinámicas. Se presenta un método iterativo para la integración con fórmulas de index-3 basado en la proyección de las ecuaciones dinámicas según las variables independientes del sistema multi-cuerpo. El cálculo del residuo del sistema de ecuaciones no lineales que se ha de resolver de modo iterativo se realiza mediante un proceso recursivo muy eficiente que aprovecha la estructura topológica del sistema. Se analizan tres formas de evaluar la matriz tangente del citado sistema no lineal: evaluación aproximada, numérica y recursiva. El método de integración presentado permite el uso de distintas fórmulas. En esta Tesis se analizan la Regla Trapezoidal, la fórmula BDF de segundo orden y un método híbrido TR-BDF2. Para este último caso se presenta un algoritmo de paso variable. En el Capítulo 5 plantea la implementación del método propuesto en un programa general de simulación de mecanismos que permita la resolución de cualquier sistema multi-cuerpo definiéndolo mediante un fichero de datos. La implementación de este programa se ha realizado tanto en C++ como en Java. Se muestran los resultados de las formulaciones presentadas en esta Tesis mediante la simulación de cuatro ejemplos de distinta complejidad. Mediante análisis concretos se comparan la formulación presentada con otras existentes. También se analiza el efecto del lenguaje de programación utilizado en la implementación y los efectos de las posibles simplificaciones planteadas. Por último, el Capítulo 6 resume las principales conclusiones alcanzadas en la Tesis y las futuras líneas de investigación que con ella se abren. ABSTRACT This Thesis presents an efficient method for solving the forward dynamics of a multi-body sys-tem formed by rigid and flexible bodies with small strains for real-time simulation of real-life models. It is based on topological formulations. The presented work focuses on the efficient solution of the most time-consuming tasks of the simulation process, such as the numerical integration of the motion differential equations and in particular the evaluation of the inertia terms corresponding to the flexible bodies. The dynamic equations are formulated in terms of independent variables of the muti-body system, and they are integrated by means of implicit index-3 formulae. The Thesis is arranged in six chapters. Chapter 1 presents a review of the most relevant and recent contributions related to the modelization of flexible multi-body systems and the integration of the corresponding dynamic equations. The main objectives of the Thesis are also presented in detail. Chapter 2 presents a semi-recursive method for solving the equations of a multi-body system with flexible bodies based on topological formulations and modal synthesis. This Thesis uses the floating frame approach and the modal amplitudes to define the position of any point at the flexible body. These modal deformed shapes are obtained by means of the Finite Element Method. Particular attention has been taken to the boundary conditions used to define the deformation of the flexible bodies. Chapter 3 focuses on the evaluation of the inertia terms, which is usually a very time-consuming task. A new method based on the use of 24 constant matrices is presented. These matrices are evaluated during the set-up step, before the integration process. They allow the calculation of the inertia terms in terms of the position and orientation of the local coordinate system and the deformation variables, and there is no need to evaluate the position and velocities of all the nodes of the FEM mesh. A deep analysis of the inertia terms is performed in order to optimize the evaluation process, reducing both the terms used and the number of arithmetic operations. Two possible simplifications are presented: the first one uses a non-consistent approach in order to define the inertia terms respect to the Cartesian coordinates of the FEM mesh, rejecting those corresponding to the angular rotations; the second approach makes use of lumped mass matrices. Based on the previously presented formulation, Chapter 4 is focused on the numerical integration of the motion differential equations. A new predictor-corrector method based on index-3 formulae and on the use of multi-body independent variables is presented. The evaluation of the dynamic equations in a new time step needs the solution of a set on nonlinear equations by a Newton-Raphson iterative process. The computation of the corresponding residual vector is performed efficiently by taking advantage of the system’s topological structure. Three methods to compute the tangent matrix are presented: an approximated evaluation that considers only the most relevant terms, a numerical approach based on finite differences and a recursive method that uses the topological structure. The method presented for integrating the dynamic equations can use a variety of integration formulae. This Thesis analyses the use of the trapezoidal rule, the 2nd order BDF formula and the hybrid TR-BDF2 method. A variable-time step strategy is presented for the last one. Chapter 5 describes the implementation of the proposed method in a general purpose pro-gram for solving any multibody defined by a data file. This program is implemented both in C++ and Java. Four examples are used to check the validity of the formulation and to compare this method with other methods commonly used to solve the dynamic equations of multi-body systems containing flexible bodies. The efficiency of the programming methodology used and the effect of the possible simplifications proposed are also analyzed. Chapter 6 summarizes the main Conclusions obtained in this Thesis and the new lines of research that have been opened.

Investigación de métodos de recuperación secundaria en yacimientos kársticos complejos en presencia de acuífero activo infinito

El yacimiento Casablanca es un campo petrolífero maduro en etapa de agotamiento considerado como el más grande del mar Mediterráneo. Lleva en explotación desde 1977 y tiene una producción acumulada de 22.6 MMm3 de petróleo. La formación productiva consiste en carbonatos karstificados del Grupo Basal Terciario y del Mesozoico. El mecanismo de drenaje identificado es por empuje de agua de un gran acuífero activo considerado como infinito ya que ha mantenido la presión al 95% de la original después de casi 40 años de producción. En el año 1999, los pozos asociados al campo Casablanca producían unos 500 m3/d de agua que era tratada y vertida al mar. Para cumplir con las leyes medio ambientales de la época, se convirtió el pozo Casablanca-9 en pozo sumidero con el objetivo de devolver a la formación toda el agua producida de una manera segura, limpia y totalmente respetuosa con el medio ambiente. Años después se observó que ésta inyección no era inocua, sino que tenía un impacto en la producción de petróleo. En la presente tesis se ha definido una metodología que, mediante la experimentación en campo con trazadores, pruebe la existencia de comunicación entre pozos productores y pozos sumidero, rompiendo así el paradigma instaurado en el campo que reza que no es posible la recuperación mejorada mediante inyección de agua en Casablanca debido al gran acuífero existente. Los resultados obtenidos serán el punto de partida para la construcción de un modelo de simulación que permita verificar que es posible la aplicación de técnicas IOR/EOR, y más concretamente la recuperación mejorada mediante inyección de agua en presencia de un acuífero activo infinito. ABSTRACT Casablanca is a brown field in the decline stage and is considered as the largest field in the Mediterranean Sea. It has been on production since 1977 and the cumulative production is 22.6 MMm3 of oil. The productive reservoir formation consists on complex karstified carbonates from Basal Tertiary Group and Mesozoic. The drive mechanism identified is water drive by a large aquifer considered as infinite acting due to the pressure maintenance at 95% of the original after near 40 years of production. In 1999, the wells associated to Casablanca field produced about 500 m3/d of water that was treated and disposed to the sea. In order to comply with the environmental laws at that time, Casablanca-9 was converted from producer to water disposal well with the objective to dispose all the water back to the formation in a safe, clean and environmental fully respectful way. Years later, it was observed that injection was not innocuous, but had an impact on oil production. The methodology defined in this thesis will demonstrate the existence of communication between producers and disposal wells through field experiments with tracers, breaking the paradigm established in the field that says it is not possible to apply waterflooding techniques in Casablanca due to the existence of a strong infinite acting aquifer. The results obtained will be the starting point in order to build a simulation model able to demonstrate that the application of IOR / EOR techniques are suitable, more specifically water flooding techniques in presence of an infinite active aquifer.

Desarrollo de métodos numérico-interpretativos para la realización de ensayos de bombeo

Los ensayos de bombeo son, sin lugar a dudas, una de las pruebas más fiables y de mayor interés que se hacen en el medio físico. No son pruebas estrictamente puntuales, dado que el bombeo atrae flujo desde distancias lejanas al pozo, la prueba tiene una excelente representatividad espacial. Los métodos de interpretación mediante ensayos de bombeo se empezaron a plantear en la primera mitad del pasado siglo. Con los ensayos de bombeo se puede calcular la transmisividad y coeficiente de almacenamiento de las formaciones acuíferas y suministran información sobre el tipo de acuífero, la calidad constructiva del pozo de extracción, la existencia de barreras impermeable o bordes de recarga próximos, e incluso en algunas circunstancias permiten el cálculo del área de embalse subterráneo. Desde mediados del siglo 20 existe una eficaz y abundante gama de métodos analítico-interpretativos de ensayos de bombeo, tanto en régimen permanente como transitorio. Estos métodos son ampliamente conocidos y están muy experimentados a lo largo de muchos países, sin embargo, hoy día, podrían utilizarse modelos de flujo para la interpretación, logrando la misma fiabilidad e incluso mejores posibilidades de análisis. Muchos ensayos que no pueden interpretarse porque las configuraciones del medio son demasiado complejas y no están disponibles, o no es posible, el desarrollo de métodos analíticos, tienen buena adaptación y en ocasiones muy fácil solución haciendo uso de los métodos numéricos de simulación del flujo. En esta tesis se ha buscado una vía de interpretar ensayos de bombeo haciendo uso de modelos de simulación del flujo. Se utiliza el modelo universal MODFLOW del United States Geological Survey, en el cual se configura una celda de simulación y mallado particularmente adecuados para el problema a tratar, se valida con los métodos analíticos existentes. Con la célula convenientemente validada se simulan otros casos en los que no existen métodos analíticos desarrollados dada la complejidad del medio físico a tratar y se sacan las oportunas conclusiones. Por último se desarrolla un modelo específico y la correspondiente aplicación de uso general para la interpretación numérica de ensayos de bombeo tanto con las configuraciones normales como con configuraciones complejas del medio físico. ABSTRACT Pumping tests are, without doubt, one of the most reliable and most interesting tests done in the physical environment. They are not strictly anecdotal evidence, since pumping flow attracts from far distances to the well, the test has excellent spatial representation. Methods of interpretation by pumping tests began to arise in the first half of last century. With pumping tests, can be calculated transmissivity and storage coefficient of the aquifer formations, and provide information on the type of aquifer, the construction quality of the well, the existence of waterproof barriers or borders next recharge, and even in some circumstances allow calculating the area of underground reservoir. Since the mid-20th century there is effective and abundant range of analytical interpretative pumping tests, both in steady state and transient methods. These methods are very widely known and experienced over many countries, however, nowadays, may flow models used for interpretation, obtaining equally reliable or even better possibilities for analysis. Many trials cannot be interpreted as environmental settings are too complex and are not available, or not possible, the development of analytical methods, have good adaptation and sometimes very easily solved using numerical flow simulation methods. This thesis has sought a way to interpret pumping tests using flow simulation models. MODFLOW universal model of United States Geological Survey, in which a simulation cell and meshing particularly suitable for the problem to be treated, is validated with existing analytical methods used is set. With suitably validated cell other cases where there are no analytical methods developed given the complexity of the physical environment to try and draw appropriate conclusions are simulated. Finally, a specific model and the corresponding application commonly used for numerical interpretation of pumping tests both with normal settings as complex configurations of the physical environment is developed.

Validación de sistemas constructivos de los cerramientos de la edificación mediante la aplicación de los métodos de decisión multicriterio : aplicación al catálogo de elementos constructivos del Código Técnico de la Edificación

Como punto de partida para el desarrollo de la Tesis, se mantiene la hipótesis de que es posible establecer métodos de evaluación global sobre el grado de utilidad de los sistemas constructivos correspondientes a los cerramientos de la edificación. Tales métodos habrían de posibilitar, de entre una serie finita de sistemas alternativos, cuáles de ellos son los objetivamente más adecuados para su selección en un entorno de decisión concreto, y habrían de permitir fundamentar la justificación objetiva de tal decisión. Paralelamente a esta hipótesis de carácter general, se planteó desde el inicio la necesidad de comprobación de una hipótesis de partida particular según la cual los sistemas constructivos basados en la utilización de componentes prefabricados, o procesos de puesta en obra con un alto grado de industrialización arrojarían valores de utilidad mayores que los sistemas tradicionales basados en la albañilería. Para la verificación de estas dos hipótesis de partida se ha procedido inicialmente a la selección de un conjunto coherente de doce sistemas de cerramientos de la edificación que pudiese servir como testigo de su diversidad potencial, para proceder a su valoración comparativa. El método de valoración propuesto ha entrado a considerar una serie de factores de diversa índole que no son reducibles a un único parámetro o magnitud que permitiese una valoración de tipo lineal sobre su idoneidad relativa, ni que permitiese establecer un grado de prelación entre los distintos sistemas constructivos alternativos de manera absoluta. Para resolver este tour de force o desafío metodológico se ha acudido a la aplicación de metodologías de valoración que nos permitiesen establecer de forma racional dicha comparativa. Nos referimos a una serie de metodologías provenientes en primera instancia de las ciencias exactas, que reciben la denominación de métodos de ayuda a la decisión multicriterio, y en concreto el denominado método ELECTRE. Inicialmente, se ha planteado la aplicación del método de análisis sobre doce sistemas constructivos seleccionados de tal forma que representasen de forma adecuada las tres categorías establecidas para caracterizar la totalidad de sistemas constructivos posibles; por peso, grado de prefabricación y grado de ventilación. Si bien la combinación de las tres categorías básicas anteriormente señaladas produce un total de 18 subcategorías conceptuales, tomamos finalmente doce subcategorías dado que consideramos que es un número operativo suficiente por extenso para el análisis propuesto y elimina tipos no relevantes. Aplicado el método propuesto, a estos doce sistemas constructivos “testigo”, se constata el mayor grado de utilidad de los sistemas prefabricados, pesados y no ventilados. Al hilo del análisis realizado en la Parte II de la Tesis sobre los doce sistemas constructivos “testigo”, se ha realizado un volcado de los sistemas constructivos incluidos en el Catalogo de Elementos Constructivos del CTE (versión 2010) sobre las dieciocho subcategorías definidas en dicha Parte II para caracterizar los sistemas constructivos “testigo”. Posteriormente, se ha procedido a una parametrización de la totalidad de sistemas constructivos para cerramientos de fachadas incluidos en este Catálogo. La parametrización sistemática realizada ha permitido establecer, mediante el cálculo del valor medio que adoptan los parámetros de los sistemas pertenecientes a una misma familia de las establecidas por el Catálogo, una caracterización comparativa del grado de utilidad de dichas familias, tanto en lo relativo a cada uno de los parámetros como en una valoración global de sus valores, de carácter indicativo. Una vez realizada una parametrización completa de la totalidad de sistemas constructivos incluidos en el Catálogo, se ha realizado una simulación de aplicación de la metodología de validación desarrollada en la Parte II de la presente Tesis, con el objeto de comprobar su adecuación al caso. En conclusión, el desarrollo de una herramienta de apoyo a la decisión multicriterio aplicada al Catálogo de Elementos constructivos del CTE se ha demostrado técnicamente viable y arroja resultados significativos. Se han diseñado dos sistemas constructivos mediante la aplicación de la herramienta desarrollada, uno de fachada no ventilada y otro de fachada ventilada. Comparados estos dos sistemas constructivos mejorados con otros sistemas constructivos analizados Se comprueba el alto grado de utilidad objetiva de los dos sistemas diseñados en relación con el resto. La realización de este ejercicio de diseño de un sistema constructivo específico, que responde a los requerimientos de un decisor concreto viene a demostrar, así pues, la utilidad del algoritmo propuesto en su aplicación a los procesos de diseño de los sistemas constructivos. La tesis incorpora dos innovaciones metodológicas y tres innovaciones instrumentales. ABSTRACT The starting point for the thesis is the hypothesis that it is possible to devise suitability degree evaluation methods of building enclosure systems. Such methods should allow optimizing appraisal, given a specific domain of decision, among a finite number of alternative systems, and provide objective justification of such decision. Along with the above mentioned general assumption, a second hypothesis whereby constructive systems based on the use of prefabricated components, or high industrialization degree work processes, would throw efficiency values higher than traditional masonry systems needed to be tested. In order to validate these two hypothesis a coherent set of twelve enclosure systems that could serve as a reference sample of their potential diversity was selected and a comparative evaluation was carried out. The valuation method proposed has considered several different factors that are neither reducible to a single parameter or magnitude that would allow a linear evaluation of their relative suitability nor allow to establishing an absolute priority ranking between different alternative constructive systems. In order to resolve this tour de force or methodological challenge, valuation methodologies that enable use establishing rational assessments were used. We are referring to a number of methodologies taken from the exact sciences field, usually known as aid methods for multi-criteria decision, in particular the so-called ELECTRE method. Even though the combination of the mentioned three basic categories result in eighteen conceptual sub categories, we are finally considering just twelve since we deem it adequately extended for the our intended purpose and eliminates non relevant instances. The method of analysis was initially applied to the set of twelve selected constructive systems is a way that they could represent adequately the three previously established categories set out to characterize all possible enclosure systems, namely weight, prefabrication degree and ventilation degree. Once the proposed method is applied to the sample systems, the higher efficiency of the prefabricated, heavy and not ventilated systems was confirmed. In line with the analysis in Part II of the thesis on the twelve chosen enclosure systems, it has done an uploading data of construction systems listed in the Catalogue of constructive elements of the CTE (version 2010) according the eighteen subcategories used in this part II to characterize the construction systems taken as sample. Subsequently, a parameterization of all enclosure facade systems included in this catalog has been undertaken. The systematic parameterization has allowed to set, by means of calculating the average values of the parameters of the systems belonging to the same family of those established by the Catalog, a comparative characterization of the efficiency degree of these families, both in relation to each parameter as to an overall evaluation of its values, in a indicative way. After the parameterization of all enclosure systems included in the Catalog, a simulation of validation methodology application developed in Part II of this Thesis has been made, in order to assess its consistency to the referred case. In conclusion, the development of a multi-criteria decision aid tool, applied to the CTE Catalog of constructive elements, has proved to be technically feasible and yields significant results. Two building systems through the application of the developed tool, a non-ventilated façade and a ventilated façade have been designed. Comparing these two improved construction systems with other building systems analyzed, we were able to assess the high degree of objective efficiency of the two systems designed in relation to the rest. The exercise of designing a specific enclosure system that meets the requirements of a particular decision-maker hence shows the suitability of the proposed algorithm applied to the process of enclosure systems design. This Thesis includes two methodological innovations and three instrumental innovations.

Experimentación, simulación y análisis de artefactos improvisados-proyectiles formados por explosión

Dentro de los artefactos explosivos improvisados se encuentran aquellos que generan proyectiles formados por explosión, penetradores de blindajes y sistemas acorazados, como los utilizados por grupos insurgentes contra las fuerzas aliadas en zona de operaciones. El objeto de este estudio es reproducir y entender el comportamiento de dichos artefactos explosivos improvisados capaces de generar proyectiles de alta velocidad y gran capacidad de penetración. La comprensión de su comportamiento permitirá mejorar el conocimiento sobre ellos, y por ende, combatirlos de forma más eficaz. Para ello se han realizado los ensayos correspondientes, obteniéndose las primeras caracterizaciones de proyectiles formados por explosión construidos de manera artesanal, tal y como haría un terrorista. Además, se han creado los modelos numéricos correspondientes a cada ensayo, que simulan todo el evento desde su inicio hasta el impacto en el objetivo, recorriendo todos los pasos intermedios. Se han ensayado 3 configuraciones y posteriormente se han simulado, usando el software de análisis por elementos finitos, LS-DYNA, con una configuración 2D axisimétrica, con mallados lagrangianos. Los resultados obtenidos por el modelo han alcanzado un alto grado de precisión con relación a los datos experimentales. A partir de aquí se puede concluir que los artefactos explosivos improvisados-proyectiles formados por explosión son una seria amenaza, y que los modelos generados permitirán conocer y ahorrar costes en la lucha contra esta amenaza, y por ende contra el terrorismo, al disponer de un enfoque holístico de la amenaza, y finalmente reducir los costes de la experimentación.