Desarrollo y Aplicación de Herramientas Teóricas, Numéricas y Códigos Computacionales en Dinámica de Gases para Ingeniería Aeronáutica

Objetivos generales: • Desarrollo de un código utilizando programación orientada objeto y Fortran 2003 para simulación de flujos de gases de alta entalpía incluyendo efectos químicos. • Mejora de técnicas numéricas con la finalidad de simular flujos gas dinámicos con alta entalpía y químicamente activos. • Mejora de la comprensión del fenómeno de intermitencia caótica. • Mejorar en la comprensión, implementación y utilización del código openFOAM para la simulación de flujos de interés en la industria aeroespacial. Objetivos específicos: • Poseer la capacidad de simular las ecuaciones de la dinámica de gases tridimensionales, químicamente activas y dependientes del tiempo usando volúmenes finitos mediante códigos propios. • Continuar con el desarrollo de la nueva teoría que permite una descripción más adecuada y precisa del fenómeno de intermitencia como una de las rutas hacia el caos. • Adaptar el código openFoam para la simulación de la dinámica del flujo de gases con elevada entalpía y/o reactivos. • Aplicación de los códigos desarrollados a la simulación de flujos de interés aeronáutico tales como chorros supersónicos, flujos supersónicos alrededor de objetos en vuelo atmosférico y procesos de combustión difusiva. Resultados esperados • Obtención de un código numérico en volúmenes finitos mediante programación orientada a objeto desarrollado en la UNC con la capacidad de simular flujos gas-dinámicos, tridimensionales, viscosos, químicamente activos y dependientes del tiempo. Este código será la base para un programa de multifísica en flujos gaseosos que en un futuro deberá incluir ionización y simulación de flujos magnetohidrodinámicos compresibles. • Desarrollo y/o mejora de técnicas numéricas para la solución de flujos gas-dinámicos químicamente activos. Se continuará con la investigación que usa distintas funciones limitadoras para distintas ondas. • Mejora del conocimiento sobre fenómenos que presentan intermitencia caótica. Se continuará con la teoría que está actualmente en desarrollo por integrantes del grupo en colaboración con investigadores de universidades de España. Principalmente se pondrá énfasis para obtener una formulación más general de la teoría mediante el desarrollo de una técnica de perturbación que permita aproximar cualquier función no lineal que gobierna el proceso de reinyección. • Implementación del código openFOAM para simular flujos supersónicos y procesos de combustión. Se generarán librerías específicas para utilizar este software en aplicaciones de flujos compresibles. • Se espera alcanza una mejor descripción numérica del fenómeno de chorros supersónicos sub-expandidos que impactan sobre paredes sólidas.

Análisis de la problemática hídrica de la región central y norte de la provincia de Córdoba, mediante técnicas experimentales y numéricas.

El presente proyecto de investigacion se orienta a estudiar la disponibilidad, evolucion y variabilidad de los recursos hidricos superficiales de la region central y norte de la pcia. de Cordoba (principalmente la cuenca de aporte a la Laguna de Mar Chiquita), incluyendo además de la propia Laguna las cuencas de los ríos Dulce, Suquia y Xanaes. Esta región por ser semiarida tiene escasa disponibilidad hídrica. Esta sometida a una variable oferta natural de agua y a una demanda variada y creciente. El estudio de las variaciones y tendencias tanto de la ofertas como de las demandas por subcuencas es clave para una correcta gestión integrada de los recursos hídricos provinciales. Para el estudio propuesto se aplicarán complementariamente técnicas experimentales de laboratorio, campo y modelos númericos.

Observaciones y simulaciones de cúmulos de galaxias

Con el desarrollo de este proyecto se pretende realizar un estudio detallado de las diferentes propiedades de los cúmulos de galaxias previéndose un amplio espectro de análisis que incluye la realización de simulaciones numéricas, observaciones espectroscópicas de galaxias en cúmulos y estudios de la emisión X proveniente del gas intra-cúmulo. Las simulaciones numéricas serán realizadas utilizando códigos de integración hidrodinámicos cosmológicos que permiten seguir la evolución dinámica de sistemas de gas y materia no-colisional en un contexto cosmológico. (...) Las observaciones espectroscópicas de galaxias en cúmulos permiten un detallado estudio de la dinámica de los cúmulos. Dichas observaciones serán realizadas en CASLEO (Centro Astronómico El Leoncito) las cuales se adicionarán al material ya existente, con el cual se podrán realizar estimas de dispersión de velocidades y estudios de subestructura entre otros estudios. En base a las imágenes públicas provenientes del satélite ROSAT se realizarán estudios detallados de las propiedades del gas caliente, permitiendo análisis de morfología y temperatura del gas intracúmulo y proporcionando valiosa información sobre el estado dinámico de los cúmulos. Uno de los objetivos centrales de este proyecto consiste en la confrontación entre las observaciones de cúmulos (tanto en el rango óptico como en rayos X) y las simulaciones numéricas. Estos estudios permitirán mejorar el conocimiento sobre diferentes propiedades de los sistemas de galaxias, los procesos de formación de estructuras y las dependencias con los parámetros cosmológicos básicos. Otros de los aspectos vinculados a los cúmulos de galaxias que se prevé abordar está asociado al hecho que estos son excelentes trazadores de la estructura en gran escala del universo, por lo cual se prevé la aplicación de diferentes técnicas estadísticas a grandes catálogos de cúmulos.

Sustancias lipídicas y proteicas en semillas de dicotiledóneas Americanas

Se estudian mediante métodos clásicos y modernos las características físicas y químicas cuali y cuantitativas de semillas oleaginosas y potencialmente oleaginosas silvestres y cultivadas del centro y noreste de Argentina, como así también materiales de Bolivia, Perú y Ecuador. Las familias de plantas que se indagan son Apocináceas, Cactáseas, Curcubitáceas y Solanáceas. Se enfatizará en contenido de aceite, composiciones acídicas, esteroles, hidrocarburos, proteínas solubles y totales. Se estudian además algunos procesos oxidativos en los lípidos semiales. Para la resolución de los problemas se recurre a diferentes técnicas tales como extracción sólido-líquido, líquido-líquido, cromatografía CCD, CGL y HPLC, espectroscopía visible, UV, IR, RMN y EM. Los objetivos son realizar aportes a la fitoquímica y quimiotaxonomía utilizando componentes lipídicos y proteicos semiales. Los trabajos son continuación de una de nuestras líneas de investigación. Objetivos generales: Conocer las características de las fracciones saponificable e insaponificable de los aceites semiales, como así como también las proteínas totales y solubles de semillas de especies silvestres y cultivadas que crecen en Argentina y otros países de América. Objetivos específicos: -Conocer las características de los ácidos grasos enoicos y sus productos de oxidación. - Establecer mediante técnicas numéricas los balances y asociaciones que pueden originarse entre las muestras, utilizando como parámetros los acilglicéridos, composición acídica, esteroles, hidrocarburos, terpenoides, fracciones proteicas, características físicas de las semillas, etc., con finalidades fitoquímicas, quimiotaxonómicas y eventualmente su proyección como semillas potencialmente oleaginosas.

Aplicaciones de la teoría de PDE a la relatividad general

Este plan de trabajo contempla diversas aplicaciones de la teoría de las Ecuaciones en Derivadas Parciales en el contexto de la Relatividad General. (...) Estas aplicaciones tiene como una de las intenciones últimas la de ser empleadas en simulaciones numéricas. Entre ellas destacamos las siguientes: * Fluidos viscosos relativistas y sus límites parabólicos. * Modelado numérico de las ecuaciones del primer punto. * Existencia global de sistemas disipativos. * Teoremas no-hair cosmológicos. * Límite Newtoniano de la relatividad general, resultados rigurosos. * Condiciones de contorno para las ecuaciones de Einstein.

Evolución de la Estructura en el Universo. Evolution of structure in the universe.

Se analizará la evolución de la estructura en el Universo desde los puntos de vista numérico, estadístico y observacional dando una caracterización de las propiedades globales del Universo en Gran Escala. Para ello se analizarán los mayores catálogos de Galaxias existentes, nuevas observaciones y simulaciones numéricas Cosmológicas de alta resolución. Mediante la aplicación de diferentes métodos capaces de proporcionar información útil acerca de las propiedades del Universo, se pretende aportar significativamente a la comprensión de la dinámica y la características generales de Galaxias y sistemas de Galaxias.

Manipulación acustica del orden y dinámica molecular en estructuras mesomorficas de organización lamelar. Acoustic manipulation of molecular order and dynamics in mesomorphic structures of lamellar organization.

El control de propiedades hidrodinámicas capaces de influir en la mecánica de ruptura y poración de sistemas lamelares o membranas es de fundamental interés para diferentes aplicaciones biotecnológicas. Resulta de particular interés la conexión entre los procesos microscópicos relacionados al tipo de moléculas o unidades básicas, el orden determinado en el auto-ensamblado de las mismas y la dinámica local del sistema, con las propiedades físicas que determinan el comportamiento macroscópico bajo estimulación acústica. Resultados logrados recientemente sugieren la existencia de resonancias hidrodinámicas que podrian ser utilizadas para lograr la inestabilidad del sistema a baja potencia acústica. Se realizaran estudios experimentales utilizando principalmente técnicas que combinan resonancia magnética nuclear (RMN) y la sonicación de la muestra. También se realizarán estudios teóricos y simulaciones numéricas que permitan modelar los sistemas bajo estudio. Se propone dar continuidad al desarrollo de una técnica de relaxometría magnética nuclear en la cual se estimula acústicamente a la muestra durante el proceso de relajación magnética nuclear, y continuar la implementación de técnicas de RMN con resolución espacial que permitan complementar los estudios mencionados. Se espera comprender los mecanismos físicos que determinan la estabilidad de fases lamelares, logrando un modelo verificable y consistente que permita relacionar las propiedades mecánicas e hidrodinámicas con las propiedades de orden y dinámica molecular. Asimismo, se espera lograr avances en el desarrollo de las técnicas experimentales involucradas. La importancia del proyecto radica en el enfoque del problema. A diferencia de casi la totalidad de los estudios reportados, nuestro interés se enfoca en mecanismos de interacción entre la membrana y el campo acústico que sean eficientes a baja potencia acústica, en un régimen donde los gradientes térmicos y la cavitación sean despreciables.

Desarrollo de Algoritmos Numéricos para el Estudio de la Propagación no Lineal de Ondas en Aplicaciones Aeroespaciales y Astrofísicas. Develop to Numerical Algorithms to Study non-Linear Waves Propagation in Aerospace and Astrophysics Applications.

En este proyecto se desarrollarán algoritmos numéricos para sistemas no lineales hiperbólicos-parabólicos de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Dichos sistemas tienen aplicación en propagación de ondas en ámbitos aeroespaciales y astrofísicos.Objetivos generales: 1)Desarrollo y mejora de algoritmos numéricos con la finalidad de incrementar la calidad en la simulación de propagación e interacción de ondas gasdinámicas y magnetogasdinámicas no lineales. 2)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos gasdinámicos de elevada entalpía incluyendo cambios químicos, efectos dispersivos y difusivos.3)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos magnetogasdinámicos ideales y reales.4)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la solución del flujo aerotermodinámico alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera terrestre. 5)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la simulación del comportamiento dinámico no lineal de arcos magnéticos en la corona solar. 6)Desarrollo de nuevos modelos para describir el comportamiento no lineal de arcos magnéticos en la corona solar.Este proyecto presenta como objetivo principal la introducción de mejoras en algoritmos numéricos para simular la propagación e interacción de ondas no lineales en dos medios gaseosos: aquellos que no poseen carga eléctrica libre (flujos gasdinámicos) y aquellos que tienen carga eléctrica libre (flujos magnetogasdinámicos). Al mismo tiempo se desarrollarán códigos computacionales que implementen las mejoras de las técnicas numéricas.Los algoritmos numéricos se aplicarán con la finalidad de incrementar el conocimiento en tópicos de interés en la ingeniería aeroespacial como es el cálculo del flujo de calor y fuerzas aerotermodinámicas que soportan objetos que ingresan a la atmósfera terrestre y en temas de astrofísica como la propagación e interacción de ondas, tanto para la transferencia de energía como para la generación de inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar. Estos dos temas poseen en común las técnicas y algoritmos numéricos con los que serán tratados. Las ecuaciones gasdinámicas y magnetogasdinámicas ideales conforman sistemas hiperbólicos de ecuaciones diferenciales y pueden ser solucionados utilizando "Riemann solvers" junto con el método de volúmenes finitos (Toro 1999; Udrea 1999; LeVeque 1992 y 2005). La inclusión de efectos difusivos genera que los sistemas de ecuaciones resulten hiperbólicos-parabólicos. La contribución parabólica puede ser considerada como términos fuentes y tratada adicionalmente tanto en forma explícita como implícita (Udrea 1999; LeVeque 2005).Para analizar el flujo alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera se utilizarán las ecuaciones de Navier-Stokes químicamente activas, mientras la temperatura no supere los 6000K. Para mayores temperaturas es necesario considerar efectos de ionización (Anderson, 1989). Tanto los efectos difusivos como los cambios químicos serán considerados como términos fuentes en las ecuaciones de Euler. Para tratar la propagación de ondas, transferencia de energía e inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar se utilizarán las ecuaciones de la magnetogasdinámica ideal y real. En este caso será también conveniente implementar términos fuente para el tratamiento de fenómenos de transporte como el flujo de calor y el de radiación. Los códigos utilizarán la técnica de volúmenes finitos, junto con esquemas "Total Variation Disminishing - TVD" sobre mallas estructuradas y no estructuradas.

“DESARROLLO DE GEOINDICADORES Y VALORACIÓN DE VULNERABILIDAD DE RECURSOS HÍDRICOS ASOCIADOS A LA EVALUACIÓN DEL IMPACTO PRODUCIDO POR CAMBIOS EN EL USO DEL SUELO”

La zona no saturada del suelo tiene una gran importancia en el ciclo del agua, así como en el transporte y las transformaciones de compuestos químicos. El estudio de esta zona es importante pues es el nexo entre el agua superficial y el agua subterránea. El incremento de las actividades agrícolas en la región central del país ha provocado un uso extendido de agroquímicos que contaminan las reservas hídricas subterráneas. La predicción y estimación del nivel de concentración, degradación, adsorción, retardo biológico, transporte y deposición de estos compuestos dependen de condiciones geológicas y propiedades físico-químicas del suelo. Es fundamental en este aspecto resolver con la información obtenida las ecuaciones de transporte de contaminantes para lo cual resulta de interés la mineralogía, tortuosidad, relación de vacíos y composición granulométrica del suelo. El transporte de contaminantes afecta la calidad del agua superficial (ríos, lagunas o esteros) y subterránea (napa freática y acuíferos) que constituyen fuentes de agua dulce. En este proyecto se realizan estudios que evalúan aspectos que afectan la calidad del agua superficial y subterránea debido a actividades antrópicas. En particular se analizan aspectos fenomenológicos de interés para el transporte de contaminantes en suelos para entender los mecanismos de contaminación de las aguas subterráneas. Estos estudios se realizarán en base a experimentos de laboratorio y simulaciones numéricas mediante modelos computacionales. Por otro lado, se tomarán dos casos o zonas de estudios, la primera abarca los recursos hídricos del norte de la Provincia de Córdoba, dentro de los cuales se destaca la laguna Mar Chiquita, y la segunda consiste en el estudio de la influencia del cambio del uso del suelo en la zona periurbana de la ciudad de Córdoba y el efecto que esto produce en la calidad del agua subterránea. En los estudios relacionados con la calidad y cantidad de agua que llega a la Laguna Mar Chiquita se realizarán estudios para la obtención de datos que permitan definir criterios de manejo y políticas de gestión de la cuenca intermedia, compatibles con requerimientos ambientales y sociales. Estos criterios y políticas serán una consecuencia de la interpretación del comportamiento fluvial y la respuesta del sistema hídrico ante los distintos pulsos de caudal, el cual será parcialmente aforado mediante campañas, y su interrelación con el uso del suelo en zonas que puedan afectar los afluentes de la laguna. Esto permitirá definir el caudal real que llega a la laguna y, de este modo, estimar el volumen ecológico de la misma. Al mismo tiempo, los afluentes en su trayecto reciben múltiples descargas de tipo doméstico, de origen industrial y de origen agropecuario (e.g. Río Suquía). Sin embargo, los estudios existentes sobre la calidad del agua y las actividades antrópicas son muy escasos, por lo cual resulta necesario realizar un seguimiento que permita conocer sus características y planificar su manejo. Por otro lado, se estudiará cómo el uso del suelo y fundamentalmente los cambios no controlados del mismo resultan vitales para poder preservar los recursos hídricos subterráneos. Este aspecto resulta de fundamental importancia en nuestra provincia en el caso del crecimiento acelerado que sufre la ciudad de Córdoba desde hace varias décadas por lo que éste caso se tomará como prioritario. Los resultados obtenidos permitirán generar información de gran valor para la toma de decisiones y obtener nuevos conocimientos relacionados con las características hidrodinámicas (superficial y subterránea) y del suelo en las zonas de estudio. Esto permitirá en un futuro definir o delimitar zonas de riesgo, realizar una adecuada planificación del uso del suelo en relación con las actividades agropecuarias y crecimiento de zonas urbanas y desarrollar programas para la preservación de recursos hídricos superficiales u subterráneos de la Provincia de Córdoba.

Mejoramiento del comportamiento térmico de sistemas de calentamiento de agua solares termosifónicos hechos con materiales no convencionales y con tanques de almacenamiento verticales y horizontales Performance improvement of solar thermosyphonic systems for water heating made of non conventional materials and using horizontal and vertical storage tanks

El objeto de estudio de este proyecto son los sistemas de calentamiento de agua mediante energía solar que funcionan termosifónicamente. En particular se tratará con dos diseños particulares generados por fabricantes de la Provincia de Córdoba y que han solicitado el asesoramiento del Grupo de Energía Solar (GES) para el mejoramiento de la performance térmica de dichos equipos. Se trata de dos sistemas que tienen materiales no tradicionales y se diferencian además por tener una distinta disposición del tanque de almacenamiento: uno es en forma vertical y el otro en forma horizontal. Basados en los resultados de un ensayo bajo norma internacional, donde se detectaron algunas puntos factibles de mejora, se propone en este proyecto el análisis en detalle de los equipos, para lo cual se les debe desarmar completos, para realizar un estudio analítico y experimental de los mismos con el objeto de hacer un planteo teórico-analítico del comportamiento de los mismos, con la implementación de propuestas de mejora y chequeo de los resultados. Se propone entonces como objetivo lograr un mejoramiento de la performance térmica de los citados equipos a partir de un estudio experimental y analítico. Asumiendo esta posibilidad de mejora, se plantea la hipótesis de que es posible representar el funcionamiento de estos equipos mediante modelos físico-matemáticos desarrollados a partir de ecuaciones y correlaciones conocidas y procesos a interpretar mediante resoluciones numéricas y softwares específicos de simulación. De esta manera, se plantea el despieze completo de los equipos para estudiar en detalle su estructura y conexiones internas y a partir de la geometría, dimensiones y propiedades termofísicas de materiales constructivos y fluidos de trabajo, realizar modelos físico-matemáticos que permitan realizar variaciones de propiedades y geometría y así buscar las mejores combinaciones que produzcan equipos más eficientes térmicamente. Los modelos físico-matemáticos serán codificados en lenguajes de alto nivel para poder luego de una validación de los modelos, correr simulaciones en un software de reconocimiento internacional que permite sumar dichos modelos mediante un protocolo de comunicación, haciendo que las poderosas prestaciones del software se puedan aplicar a nuestros modelos. Se complementará el estudio con un análisis exergético para identificar los puntos críticos en que se producen las pérdidas de oportunidad de aprovechar la energía disponible, para así analizar cómo solucionar los problemas en dichos puntos. Los materiales a utilizar serán los propios equipos provistos por los fabricantes, que serán modificados convenientemente para operarlos como prototipos Se espera obtener un conocimiento acabado de los procesos y principios de funcionamiento de los equipos, que permita plantear las mejoras, las cuales se implementarán en los prototipos, realizándose una medición mediante norma igual a la inicial para ver en que magnitud se logran las mejoras esperadas. Se pretende además que las mejoras a implementar, en la etapa de transferencia a las empresas involucradas, redunden no sólo en un beneficio técnico, sino que también los sea desde el punto de vista económico. Para ello se trabajará también sobre los procesos y métodos de fabricación para que los equipos mejorados no sean mas caros que los originales y de ser posible sean aún más económicos, todo esto apuntando a la difusión de la energía solar térmica y poner al alcance de todos estos equipos tan convenientes para la propagación de las energías limpias. El proyecto redundará también en un importante beneficio para el conocimiento de la comunidad científica en general, con el aporte de nuevos resultados en diseños novedosos y con nuevos materiales. Además, la institución se beneficiará con la formación que obtendrán los integrantes del proyecto, muchos de ellos en etapa de realización de sus estudios de posgrado y en una etapa importante de su vida como investigadores. The main goal of this project is the improvement of two thermosyphonic solar water heating systems, made of non conventional materials and with different arrangement of their storage tanks: one is vertical and the other one horizontal. The thermosyphonic systems are provided by manufacturers of the Córdoba Province, who came to the Solar Energy Group (GES) of the National University of Río Cuarto looking for help for the design of their products. In an agreement with these manufacturers, it was proposed this project in order to work analytically and experimentally in order to obtain physical-mathematical models of these two systems, which allow for changes to look by means of simulations the best changes to implement on the equipments for the improvement of their thermal performance. Then, the materials to be used are the proper systems provided by the manufacturers, which will be disarmed to be studied in detail. After the analytical study the proposals of improvement will be implemented in a high level language of programming to perform simulations in the environment of a well-known software for energy simulations (TRNSYS). After the simulations, the best modifications will be physically implemented in the prototypes to perform finally the same normalized test of the beginning and check the magnitude of the implemented improvements. The importance of this project is based on the offer of better systems the companies would make, which would benefit the deployment of the thermal solar energy. Another relevant point is to make the new equipments at the same cost of the previous ones or cheaper, in order to achieve a good deployment of the solar water heating systems; then, the manufacture processes and methods must be studied to obtain not only good technical solutions, but also economical equipments. In addition, this project will contribute to the increasing of the knowledge in the area of thermosyphonic solar systems and the training of postgraduate students.