Optimización de la succión de sólidos sumergidos utilizando bombas centrífugas con velocidad variable

La acumulación de material sólido en embalses, cauces fluviales y en zonas marítimas hace que la extracción mecánica de estos materiales por medio de succión sea cada vez mas frecuente, por ello resulta importante estudiar el rendimiento de la succión de estos materiales analizando la forma de las boquillas y los parámetros del flujo incluyendo la bomba. Esta tesis estudia, mediante equipos experimentales, la eficacia de distintos dispositivos de extracción de sólidos (utilizando boquillas de diversas formas y bombas de velocidad variable). El dispositivo experimental ha sido desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de la E.T.S.I. de Caminos, C. y P. de la Universidad Politécnica de Madrid. Dicho dispositivo experimental incluye un lecho sumergido de distintos tipos de sedimentos, boquillas de extracción de sólidos y bomba de velocidad variable, así como un elemento de separación del agua y los sólidos extraídos. Los parámetros básicos analizados son el caudal líquido total bombeado, el caudal sólido extraído, diámetro de la tubería de succión, forma y sección de la boquilla extractora, así como los parámetros de velocidad y rendimiento en la bomba de velocidad variable. Los resultados de las medidas obtenidas en el dispositivo experimental han sido estudiados por medio del análisis dimensional y con métodos estadísticos. A partir de este estudio se ha desarrollado una nueva formulación, que relaciona el caudal sólido extraído con los diámetros de tubería y boquilla, caudal líquido bombeado y velocidad de giro de la bomba. Así mismo, desde el punto de vista práctico, se han analizado la influencia de la forma de la boquilla con la capacidad de extracción de sólidos a igualdad del resto de los parámetros, de forma que se puedan recomendar que forma de la boquilla es la más apropiada. The accumulation of solid material in reservoirs, river channels and sea areas causes the mechanical extraction of these materials by suction is becoming much more common, so it is important to study the performance of the suction of these materials analyzing the shape of the nozzles and flow parameters, including the pump. This thesis studies, using experimental equipment, the effectiveness of different solids removal devices (using nozzles of different shapes and variable speed pumps). The experimental device was developed at the Hydraulics Laboratory of the Civil University of the Polytechnic University of Madrid. The device included a submerged bed with different types of sediment solids, different removal nozzles and variable speed pump. It also includes a water separation element and the solids extracted. The key parameters analyzed are the total liquid volume pumped, the solid volume extracted, diameter of the suction pipe, a section of the nozzle and hood, and the parameters of speed and efficiency of the variable speed pump. The basic parameters analyzed are the total liquid volume pumped, the removed solid volume, the diameter of the suction pipe, the shape and cross-section of the nozzle, and the parameters of speed, efficiency and energy consumed by the variable speed pump. The measurements obtained on the experimental device have been studied with dimensional analysis and statistical methods. The outcome of this study is a new formulation, which relates the solid volume extracted with the pipe and nozzle diameters, the pumped liquid flow and the speed of the pump. Also, from a practical point of view, the influence of the shape of the nozzle was compared with the solid extraction capacity, keeping equal the rest of the parameters. So, a recommendation of the best shape of the nozzle can be given.

Comparison of vibration and rolling noise emission of resilient and solid monobloc railway wheels in underground lines

Flat or worn wheels rolling on rough or corrugated tracks can provoke airborne noise and ground-borne vibration, which can be a serious concern for nearby neighbours of urban rail transit lines. Among the various treatments used to reduce vibration and noise, resilient wheels play an important role. In conventional resilient wheels, a slightly prestressed V­shaped rubber ring is mounted between the steel wheel centre and tyre. The elastic layer enhances rolling noise and vibration suppression, as well as impact reduction on the track. In this paper the effectiveness of resilient wheels in underground lines, in comparison to monobloc ones, is assessed. The analysed resilient wheel is able to carry greater loads than standard resilient wheels used for light vehicles. It also presents a greater radial resiliency and a higher axial stiffness than conventional V­wheels. The finite element method was used in this study. A quarter car model was defined, in which the wheelset was modelled as an elastic body. Several simulations were performed in order to assess the vibrational behaviour of elastic wheels, including modal, harmonic and random vibration analysis, the latter allowing the introduction of realistic vertical track irregularities, as well as the influence of the running speed. Due to numerical problems some simplifications were needed. Parametric variations were also performed, in which the sensitivity of the whole system to variations of rubber prestress and Poisson’s ratio of the elastic material was assessed.Results are presented in the frequency domain, showing a better performance of the resilient wheels for frequencies over 200 Hz. This result reveals the ability of the analyzed design to mitigate rolling noise, but not structural vibrations, which are primarily found in the lower frequency range.

Atomistic modeling of Ge damage accumulation, amorphization and solid phase epitaxial regrowth

En los últimos años, el Ge ha ganado de nuevo atención con la finalidad de ser integrado en el seno de las existentes tecnologías de microelectrónica. Aunque no se le considera como un canddato capaz de reemplazar completamente al Si en el futuro próximo, probalemente servirá como un excelente complemento para aumentar las propiedades eléctricas en dispositivos futuros, especialmente debido a su alta movilidad de portadores. Esta integración requiere de un avance significativo del estado del arte en los procesos de fabricado. Técnicas de simulación, como los algoritmos de Monte Carlo cinético (KMC), proporcionan un ambiente atractivo para llevar a cabo investigación y desarrollo en este campo, especialmente en términos de costes en tiempo y financiación. En este estudio se han usado, por primera vez, técnicas de KMC con el fin entender el procesado “front-end” de Ge en su fabricación, específicamente la acumulación de dañado y amorfización producidas por implantación iónica y el crecimiento epitaxial en fase sólida (SPER) de las capas amorfizadas. Primero, simulaciones de aproximación de clisiones binarias (BCA) son usadas para calcular el dañado causado por cada ión. La evolución de este dañado en el tiempo se simula usando KMC sin red, o de objetos (OKMC) en el que sólamente se consideran los defectos. El SPER se simula a través de una aproximación KMC de red (LKMC), siendo capaz de seguir la evolución de los átomos de la red que forman la intercara amorfo/cristalina. Con el modelo de amorfización desarrollado a lo largo de este trabajo, implementado en un simulador multi-material, se pueden simular todos estos procesos. Ha sido posible entender la acumulación de dañado, desde la generación de defectos puntuales hasta la formación completa de capas amorfas. Esta acumulación ocurre en tres regímenes bien diferenciados, empezando con un ritmo lento de formación de regiones de dañado, seguido por una rápida relajación local de ciertas áreas en la fase amorfa donde ambas fases, amorfa y cristalina, coexisten, para terminar en la amorfización completa de capas extensas, donde satura el ritmo de acumulación. Dicha transición ocurre cuando la concentración de dañado supera cierto valor límite, el cual es independiente de las condiciones de implantación. Cuando se implantan los iones a temperaturas relativamente altas, el recocido dinámico cura el dañado previamente introducido y se establece una competición entre la generación de dañado y su disolución. Estos efectos se vuelven especialmente importantes para iones ligeros, como el B, el cual crea dañado más diluido, pequeño y distribuido de manera diferente que el causado por la implantación de iones más pesados, como el Ge. Esta descripción reproduce satisfactoriamente la cantidad de dañado y la extensión de las capas amorfas causadas por implantación iónica reportadas en la bibliografía. La velocidad de recristalización de la muestra previamente amorfizada depende fuertemente de la orientación del sustrato. El modelo LKMC presentado ha sido capaz de explicar estas diferencias entre orientaciones a través de un simple modelo, dominado por una única energía de activación y diferentes prefactores en las frecuencias de SPER dependiendo de las configuraciones de vecinos de los átomos que recristalizan. La formación de maclas aparece como una consecuencia de esta descripción, y es predominante en sustratos crecidos en la orientación (111)Ge. Este modelo es capaz de reproducir resultados experimentales para diferentes orientaciones, temperaturas y tiempos de evolución de la intercara amorfo/cristalina reportados por diferentes autores. Las parametrizaciones preliminares realizadas de los tensores de activación de tensiones son también capaces de proveer una buena correlación entre las simulaciones y los resultados experimentales de velocidad de SPER a diferentes temperaturas bajo una presión hidrostática aplicada. Los estudios presentados en esta tesis han ayudado a alcanzar un mejor entendimiento de los mecanismos de producción de dañado, su evolución, amorfización y SPER para Ge, además de servir como una útil herramienta para continuar el trabajo en este campo. In the recent years, Ge has regained attention to be integrated into existing microelectronic technologies. Even though it is not thought to be a feasible full replacement to Si in the near future, it will likely serve as an excellent complement to enhance electrical properties in future devices, specially due to its high carrier mobilities. This integration requires a significant upgrade of the state-of-the-art of regular manufacturing processes. Simulation techniques, such as kinetic Monte Carlo (KMC) algorithms, provide an appealing environment to research and innovation in the field, specially in terms of time and funding costs. In the present study, KMC techniques are used, for the first time, to understand Ge front-end processing, specifically damage accumulation and amorphization produced by ion implantation and Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) of the amorphized layers. First, Binary Collision Approximation (BCA) simulations are used to calculate the damage caused by every ion. The evolution of this damage over time is simulated using non-lattice, or Object, KMC (OKMC) in which only defects are considered. SPER is simulated through a Lattice KMC (LKMC) approach, being able to follow the evolution of the lattice atoms forming the amorphous/crystalline interface. With the amorphization model developed in this work, implemented into a multi-material process simulator, all these processes can be simulated. It has been possible to understand damage accumulation, from point defect generation up to full amorphous layers formation. This accumulation occurs in three differentiated regimes, starting at a slow formation rate of the damage regions, followed by a fast local relaxation of areas into the amorphous phase where both crystalline and amorphous phases coexist, ending in full amorphization of extended layers, where the accumulation rate saturates. This transition occurs when the damage concentration overcomes a certain threshold value, which is independent of the implantation conditions. When implanting ions at relatively high temperatures, dynamic annealing takes place, healing the previously induced damage and establishing a competition between damage generation and its dissolution. These effects become specially important for light ions, as B, for which the created damage is more diluted, smaller and differently distributed than that caused by implanting heavier ions, as Ge. This description successfully reproduces damage quantity and extension of amorphous layers caused by means of ion implantation reported in the literature. Recrystallization velocity of the previously amorphized sample strongly depends on the substrate orientation. The presented LKMC model has been able to explain these differences between orientations through a simple model, dominated by one only activation energy and different prefactors for the SPER rates depending on the neighboring configuration of the recrystallizing atoms. Twin defects formation appears as a consequence of this description, and are predominant for (111)Ge oriented grown substrates. This model is able to reproduce experimental results for different orientations, temperatures and times of evolution of the amorphous/crystalline interface reported by different authors. Preliminary parameterizations for the activation strain tensors are able to also provide a good match between simulations and reported experimental results for SPER velocities at different temperatures under the appliance of hydrostatic pressure. The studies presented in this thesis have helped to achieve a greater understanding of damage generation, evolution, amorphization and SPER mechanisms in Ge, and also provide a useful tool to continue research in this field.