Nuevos desarrollos en la caracterización geométrica y simulación mecánica de paredes arteriales

El presente trabajo resume los desarrollos realizados por el Grupo de Mecánica Computacional de la ETSICCP de la UPM en el campo de la biomecánica. Se presentan estrategias de caracterización geométrica de paredes arteriales a partir de tomografía computarizada y de reconstrucciones tridimensionales del cayado aórtico, se describe una metodología de implementación de las tensiones iniciales dentro del contexto del análisis por elementos finitos y se expone un modelo constitutivo de daño continuo que busca reproducir la degradación material del tejido aórtico.

Sensitivity analysis on turbulence models for the ABL in complex terrain

Análisis de sensibilidad de modelos de turbulencia para un modelo CFD de viento aplicados a un emplazamiento en terreno complejo. Validación con datos de viento y turbulencia registrados a 3 alturas en 3 torres de medida.

Comparing linear and non linear wind flow models

Assessing wind conditions on complex terrain has become a hard task as terrain complexity increases. That is why there is a need to extrapolate in a reliable manner some wind parameters that determine wind farms viability such as annual average wind speed at all hub heights as well as turbulence intensities. The development of these tasks began in the early 90´s with the widely used linear model WAsP and WAsP Engineering especially designed for simple terrain with remarkable results on them but not so good on complex orographies. Simultaneously non-linearized Navier Stokes solvers have been rapidly developed in the last decade through CFD (Computational Fluid Dynamics) codes allowing simulating atmospheric boundary layer flows over steep complex terrain more accurately reducing uncertainties. This paper describes the features of these models by validating them through meteorological masts installed in a highly complex terrain. The study compares the results of the mentioned models in terms of wind speed and turbulence intensity.

Prediction of wake effects on wind farm power production using a RANS approach. Part II. Offshore: Case studies from the UPWIND project

The estimation of power losses due to wind turbine wakes is crucial to understanding overall wind farm economics. This is especially true for large offshore wind farms, as it represents the primary source of losses in available power, given the regular arrangement of rotors, their generally largerdiameter and the lower ambient turbulence level, all of which conspire to dramatically affect wake expansion and, consequently, the power deficit. Simulation of wake effects in offshore wind farms (in reasonable computational time) is currently feasible using CFD tools. An elliptic CFD model basedon the actuator disk method and various RANS turbulence closure schemes is tested and validated using power ratios extracted from Horns Rev and Nysted wind farms, collected as part of the EU-funded UPWIND project. The primary focus of the present work is on turbulence modeling, as turbulent mixing is the main mechanism for flow recovery inside wind farms. A higher-order approach, based on the anisotropic RSM model, is tested to better take into account the imbalance in the length scales inside and outside of the wake, not well reproduced by current two-equation closure schemes.

Modelling wake effects in large wind farms in complex terrain: the problem, the methods and the issues

Computational fluid dynamic (CFD) methods are used in this paper to predict the power production from entire wind farms in complex terrain and to shed some light into the wake flow patterns. Two full three-dimensional Navier–Stokes solvers for incompressible fluid flow, employing k − ϵ and k − ω turbulence closures, are used. The wind turbines are modeled as momentum absorbers by means of their thrust coefficient through the actuator disk approach. Alternative methods for estimating the reference wind speed in the calculation of the thrust are tested. The work presented in this paper is part of the work being undertaken within the UpWind Integrated Project that aims to develop the design tools for next generation of large wind turbines. In this part of UpWind, the performance of wind farm and wake models is being examined in complex terrain environment where there are few pre-existing relevant measurements. The focus of the work being carried out is to evaluate the performance of CFD models in large wind farm applications in complex terrain and to examine the development of the wakes in a complex terrain environment.

Caracterización mecánica de injertos de aorta ascendente de Dacron®

El presente trabajo fin de máster tiene como objetivo caracterizar los injertos de Dacron®, que se utilizan para reparar patologías de la aorta ascendente, para comparar el comportamiento mecánico con el que presenta la aorta ascendente. Se han realizado ensayos uniaxiales de tracción, de relajación y con una historia de cargas variable, tanto en probetas extraidas en la dirección circunferencial al tubo del injerto como en dirección longitudinal. Posteriormente, se han obtenido los parámetros necesarios para que los datos se ajusten a un modelo mecánico basado en el modelo de Maxwell generalizado. Por último, los datos obtenidos de los ensayos y los parámetros del modelo se han comparado con los ensayos y modelos de la aorta, obtenidos de la literatura.

Mecánica aplicada: apuntes

Graduación de los cursos del agua.Naturaleza y poder calorífico de distintos combustibles.Examen de las diversas partes de las máquina de vapor.Hogares y calderas.Motores animados.Tambores de máquinas de extracción.Árboles, levas o topes y escéntricos. Operadores usados en minería.Elevación de agua sea por vasija o por bombas

Adecuación a la trilla mecánica de distintas variedades de cacahuete

Esta comunicación tiene el objeto de exponer las experiencias realizadas durante las dos últimas campañas acerca de la trilla mecánica del cacahuete. El cacahuete es una leguminosa que fructifica de forma subterránea: las legumbres maduran en el suelo alrededor de las raíces de la planta. Para su recolección se arrancan las plantas enteras (a mano o con arrancadora del tipo de la de patatas), se dejan secar en el campo un período más o menos largo (dos a diez días) y se separan las legumbres de la mata. En esta separación o trilla se centran nuestras experiencias, pues actualmente en nuestro país ésta se realiza totalmente a mano, pero en los EEUU existen desde hace muchos años máquinas cosechadoras, incluidas en un proceso de recolección totalmente mecanizado. Sin embargo, este proceso mecánico no está resuelto de un modo satisfactorio, ya que existen problemas en la trilla, pues las pérdidas en general son bastante altas, por lo que se están investigando nuevos sistemas. Nuestro trabajo se centró en detectar la mayor o menor adecuación a la t r i l la mecánica por el sistema M. RUIZ ALTISENT Ingeniero Agrónomo J. ORTIZ-CAÑAVATE Ingeniero Agrónomo V A L E N C I A (España) de cilindros desgranadores con dientes flexibles (cf. más adelante) de diversas variedades de cacahuete. Estas experiencias se incluyen en el contexto de los trabajos sobre ensayo y mejora de variedades de cacahuete, con especial atención a su adecuación a la mecanización, que se viene realizando en Valencia, por el INI A (Centro de Levante, Estación de Plantas Hortícolas, Benicalap) y las Cátedras de Genética y de Maquinaria Agrícola de la E. T. S. de Ingenieros Agrónomos, y constituyen parte de la tesis doctoral del primer autor.

Estudio de distintas variedades de cacahuete en relación a su recolección mecánica.

Se consideran ocho variedades de cacahuete con objeto de establecer las que mejor se adaptan a la recolección mecánica, estudiando la fuerza de desprendimiento (f.d.) de los frutos, la resistencia de la cascara a la compresión y la adecuación a la trilla o separación mecánica de las vainas con una trilladora experimental. Se realizaron también ensayos de campo con dos modelos de arrancadoras y cosechadoras estableciéndose los niveles medios de perdidas y de daños.

Variedades de tomate para recolección mecánica : Ensayos de campo y de laboratorio.

La mecanización del cultivo del tomate para industria ha alcanzado un alto nivel de desarrollo, incluso en nuestro país, en la zona de Vegas del Guadiana y a pesar de los enormes problemas que se arrastran desde hace unos años. Se vienen realizando ensayos que comprenden un amplio abanico de características y que han producido a lo largo de estos años resultados apreciables. Comprenden ensayos de variedades (producción, fechas de siembra, densidad-de siembra, resistencia a rotura y dureza de los frutos, calidad industrial) y de cultivo (fertilización, riego, preparación del terreno, recolección y otras). Se exponen las técnicas de ensayo utilizadas para la determinación de las propiedades mecánicas de los frutos, así como los resultados obtenidos en estas y en el resto de variables estudiadas.

Development of a wake model for wind farms based on an open source CFD solver. Strategies on parabolization and turbulence modeling

Wake effect represents one of the most important aspects to be analyzed at the engineering phase of every wind farm since it supposes an important power deficit and an increase of turbulence levels with the consequent decrease of the lifetime. It depends on the wind farm design, wind turbine type and the atmospheric conditions prevailing at the site. Traditionally industry has used analytical models, quick and robust, which allow carry out at the preliminary stages wind farm engineering in a flexible way. However, new models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are needed. These models must increase the accuracy of the output variables avoiding at the same time an increase in the computational time. Among them, the elliptic models based on the actuator disk technique have reached an extended use during the last years. These models present three important problems in case of being used by default for the solution of large wind farms: the estimation of the reference wind speed upstream of each rotor disk, turbulence modeling and computational time. In order to minimize the consequence of these problems, this PhD Thesis proposes solutions implemented under the open source CFD solver OpenFOAM and adapted for each type of site: a correction on the reference wind speed for the general elliptic models, the semi-parabollic model for large offshore wind farms and the hybrid model for wind farms in complex terrain. All the models are validated in terms of power ratios by means of experimental data derived from real operating wind farms.

Viabilidad de la recolección mecánica del pimiento de pimentón: Ensayos de campo.

La mecanización integral del cultivo del pimiento de pimentón pasa por la mecanización de la recolección. En este trabajo se muestran los resultados obtenidos al ensayar dos máquinas de judía verde sobre el cultivo sembrado a 20 cm y a 40 cm. Los resultados muestran la posibilidad de recoger mecánicamente este cultivo aunque serán necesarios mayor número de ensayos.

Recolección Mecánica de Pimiento de Pimentón: Ensayos de Campo.

Para mecanizar de forma integral el cultivo de pimientos de pimentón es necesario el desarrollo de la mecanización de la recolección. En este trabajo se analizan los resultados obtenidos al ensayar el sistema de desprendimiento por peinado del fruto utilizando dos cosechadoras de judía verde sobre el cultivo sembrado a 20 cm y a 40 cm entre líneas, con resultados positivos referidos tanto al porcentaje de frutos recogidos como a la capacidad de trabajo de la máquina.

Persistencia de Santa Sofía en las mezquitas otomanas de Estambul, siglos XV y XVI : mecánica y construcción

La presente tesis es el resultado de un trabajo de investigación sobre diferentes métodos constructivos y estructurales desarrollado en el ámbito de las Estructuras y de la Historia de la Construcción y la Arquitectura. Esta disciplina tiene por objeto el conocimiento de la eficacia constructiva y tipológica, así como aspectos mecánicos en las obras arquitectónicas que se han sucedido a lo largo de la Historia, concretamente en el periodo estudiado en la presente investigación, en un recorrido aproximado de diez siglos. Su interés radica en la aplicación de las distintas estrategias metodológicas utilizadas para abordar un mismo problema; una constante; cubrir grandes espacios sin apoyos intermedios. Estamos hablando de la resolución de cúpulas en el ámbito de la mecánica de cúpulas. La investigación se ha desarrollado en el campo de la teoría de las estructuras y la construcción en general, y particularmente en la teoría de las bóvedas de fábrica aplicada al proyecto de edificios cupulados. Edificios cupulados significativamente importantes en la Historia de la Arquitectura, obras que han sido y son referencia en el campo mencionado; hitos arquitectónicos. El objetivo es el de, en base a un recorrido cronológico, partiendo de la arquitectura paleocristiana y bizantina (tomando y citando referencias de edificios de la Roma Republicana y de la Roma Imperial) llegar a relacionar métodos y soluciones con la arquitectura otomana de mitad del siglo XVI. Relacionar la iglesia de Santa Sofía de Constantinopla, obra cumbre del mundo bizantino con las mezquitas otomanas que diez siglos más tarde levantaría el maestro Sinán al servicio de los sultanes otomanos. Se realizará un análisis profundo y comparativo de métodos constructivos y estructurales, esto es, aspectos mecánicos. No se trata de enfrentar métodos orientales y occidentales, se trata cuanto de relacionarlos. Las preguntas fundamentales a las que tratará de responder esta tesis son: 1. Validez de los métodos orientales y occidentales en el desarrollo de cúpulas y su comportamiento mecánico. 2. Qué hay del “espíritu” de Santa Sofía de Constantinopla en las obras de Mimar Sinán mil años después. 3. Eficacia constructiva y tipológica de las soluciones de los edificios cupulados del estudio.

Simulación en tiempo real de vehículos industriales con modelos multicuerpo de gran complejidad

El objetivo de esta Tesis ha sido la consecución de simulaciones en tiempo real de vehículos industriales modelizados como sistemas multicuerpo complejos formados por sólidos rígidos. Para el desarrollo de un programa de simulación deben considerarse cuatro aspectos fundamentales: la modelización del sistema multicuerpo (tipos de coordenadas, pares ideales o impuestos mediante fuerzas), la formulación a utilizar para plantear las ecuaciones diferenciales del movimiento (coordenadas dependientes o independientes, métodos globales o topológicos, forma de imponer las ecuaciones de restricción), el método de integración numérica para resolver estas ecuaciones en el tiempo (integradores explícitos o implícitos) y finalmente los detalles de la implementación realizada (lenguaje de programación, librerías matemáticas, técnicas de paralelización). Estas cuatro etapas están interrelacionadas entre sí y todas han formado parte de este trabajo. Desde la generación de modelos de una furgoneta y de camión con semirremolque, el uso de tres formulaciones dinámicas diferentes, la integración de las ecuaciones diferenciales del movimiento mediante métodos explícitos e implícitos, hasta el uso de funciones BLAS, de técnicas de matrices sparse y la introducción de paralelización para utilizar los distintos núcleos del procesador. El trabajo presentado en esta Tesis ha sido organizado en 8 capítulos, dedicándose el primero de ellos a la Introducción. En el Capítulo 2 se presentan dos formulaciones semirrecursivas diferentes, de las cuales la primera está basada en una doble transformación de velocidades, obteniéndose las ecuaciones diferenciales del movimiento en función de las aceleraciones relativas independientes. La integración numérica de estas ecuaciones se ha realizado con el método de Runge-Kutta explícito de cuarto orden. La segunda formulación está basada en coordenadas relativas dependientes, imponiendo las restricciones por medio de penalizadores en posición y corrigiendo las velocidades y aceleraciones mediante métodos de proyección. En este segundo caso la integración de las ecuaciones del movimiento se ha llevado a cabo mediante el integrador implícito HHT (Hilber, Hughes and Taylor), perteneciente a la familia de integradores estructurales de Newmark. En el Capítulo 3 se introduce la tercera formulación utilizada en esta Tesis. En este caso las uniones entre los sólidos del sistema se ha realizado mediante uniones flexibles, lo que obliga a imponer los pares por medio de fuerzas. Este tipo de uniones impide trabajar con coordenadas relativas, por lo que la posición del sistema y el planteamiento de las ecuaciones del movimiento se ha realizado utilizando coordenadas Cartesianas y parámetros de Euler. En esta formulación global se introducen las restricciones mediante fuerzas (con un planteamiento similar al de los penalizadores) y la estabilización del proceso de integración numérica se realiza también mediante proyecciones de velocidades y aceleraciones. En el Capítulo 4 se presenta una revisión de las principales herramientas y estrategias utilizadas para aumentar la eficiencia de las implementaciones de los distintos algoritmos. En primer lugar se incluye una serie de consideraciones básicas para aumentar la eficiencia numérica de las implementaciones. A continuación se mencionan las principales características de los analizadores de códigos utilizados y también las librerías matemáticas utilizadas para resolver los problemas de álgebra lineal tanto con matrices densas como sparse. Por último se desarrolla con un cierto detalle el tema de la paralelización en los actuales procesadores de varios núcleos, describiendo para ello el patrón empleado y las características más importantes de las dos herramientas propuestas, OpenMP y las TBB de Intel. Hay que señalar que las características de los sistemas multicuerpo problemas de pequeño tamaño, frecuente uso de la recursividad, y repetición intensiva en el tiempo de los cálculos con fuerte dependencia de los resultados anteriores dificultan extraordinariamente el uso de técnicas de paralelización frente a otras áreas de la mecánica computacional, tales como por ejemplo el cálculo por elementos finitos. Basándose en los conceptos mencionados en el Capítulo 4, el Capítulo 5 está dividido en tres secciones, una para cada formulación propuesta en esta Tesis. En cada una de estas secciones se describen los detalles de cómo se han realizado las distintas implementaciones propuestas para cada algoritmo y qué herramientas se han utilizado para ello. En la primera sección se muestra el uso de librerías numéricas para matrices densas y sparse en la formulación topológica semirrecursiva basada en la doble transformación de velocidades. En la segunda se describe la utilización de paralelización mediante OpenMP y TBB en la formulación semirrecursiva con penalizadores y proyecciones. Por último, se describe el uso de técnicas de matrices sparse y paralelización en la formulación global con uniones flexibles y parámetros de Euler. El Capítulo 6 describe los resultados alcanzados mediante las formulaciones e implementaciones descritas previamente. Este capítulo comienza con una descripción de la modelización y topología de los dos vehículos estudiados. El primer modelo es un vehículo de dos ejes del tipo chasis-cabina o furgoneta, perteneciente a la gama de vehículos de carga medianos. El segundo es un vehículo de cinco ejes que responde al modelo de un camión o cabina con semirremolque, perteneciente a la categoría de vehículos industriales pesados. En este capítulo además se realiza un estudio comparativo entre las simulaciones de estos vehículos con cada una de las formulaciones utilizadas y se presentan de modo cuantitativo los efectos de las mejoras alcanzadas con las distintas estrategias propuestas en esta Tesis. Con objeto de extraer conclusiones más fácilmente y para evaluar de un modo más objetivo las mejoras introducidas en la Tesis, todos los resultados de este capítulo se han obtenido con el mismo computador, que era el top de la gama Intel Xeon en 2007, pero que hoy día está ya algo obsoleto. Por último los Capítulos 7 y 8 están dedicados a las conclusiones finales y las futuras líneas de investigación que pueden derivar del trabajo realizado en esta Tesis. Los objetivos de realizar simulaciones en tiempo real de vehículos industriales de gran complejidad han sido alcanzados con varias de las formulaciones e implementaciones desarrolladas. ABSTRACT The objective of this Dissertation has been the achievement of real time simulations of industrial vehicles modeled as complex multibody systems made up by rigid bodies. For the development of a simulation program, four main aspects must be considered: the modeling of the multibody system (types of coordinates, ideal joints or imposed by means of forces), the formulation to be used to set the differential equations of motion (dependent or independent coordinates, global or topological methods, ways to impose constraints equations), the method of numerical integration to solve these equations in time (explicit or implicit integrators) and the details of the implementation carried out (programming language, mathematical libraries, parallelization techniques). These four stages are interrelated and all of them are part of this work. They involve the generation of models for a van and a semitrailer truck, the use of three different dynamic formulations, the integration of differential equations of motion through explicit and implicit methods, the use of BLAS functions and sparse matrix techniques, and the introduction of parallelization to use the different processor cores. The work presented in this Dissertation has been structured in eight chapters, the first of them being the Introduction. In Chapter 2, two different semi-recursive formulations are shown, of which the first one is based on a double velocity transformation, thus getting the differential equations of motion as a function of the independent relative accelerations. The numerical integration of these equations has been made with the Runge-Kutta explicit method of fourth order. The second formulation is based on dependent relative coordinates, imposing the constraints by means of position penalty coefficients and correcting the velocities and accelerations by projection methods. In this second case, the integration of the motion equations has been carried out by means of the HHT implicit integrator (Hilber, Hughes and Taylor), which belongs to the Newmark structural integrators family. In Chapter 3, the third formulation used in this Dissertation is presented. In this case, the joints between the bodies of the system have been considered as flexible joints, with forces used to impose the joint conditions. This kind of union hinders to work with relative coordinates, so the position of the system bodies and the setting of the equations of motion have been carried out using Cartesian coordinates and Euler parameters. In this global formulation, constraints are introduced through forces (with a similar approach to the penalty coefficients) are presented. The stabilization of the numerical integration is carried out also by velocity and accelerations projections. In Chapter 4, a revision of the main computer tools and strategies used to increase the efficiency of the implementations of the algorithms is presented. First of all, some basic considerations to increase the numerical efficiency of the implementations are included. Then the main characteristics of the code’ analyzers used and also the mathematical libraries used to solve linear algebra problems (both with dense and sparse matrices) are mentioned. Finally, the topic of parallelization in current multicore processors is developed thoroughly. For that, the pattern used and the most important characteristics of the tools proposed, OpenMP and Intel TBB, are described. It needs to be highlighted that the characteristics of multibody systems small size problems, frequent recursion use and intensive repetition along the time of the calculation with high dependencies of the previous results complicate extraordinarily the use of parallelization techniques against other computational mechanics areas, as the finite elements computation. Based on the concepts mentioned in Chapter 4, Chapter 5 is divided into three sections, one for each formulation proposed in this Dissertation. In each one of these sections, the details of how these different proposed implementations have been made for each algorithm and which tools have been used are described. In the first section, it is shown the use of numerical libraries for dense and sparse matrices in the semirecursive topological formulation based in the double velocity transformation. In the second one, the use of parallelization by means OpenMP and TBB is depicted in the semi-recursive formulation with penalization and projections. Lastly, the use of sparse matrices and parallelization techniques is described in the global formulation with flexible joints and Euler parameters. Chapter 6 depicts the achieved results through the formulations and implementations previously described. This chapter starts with a description of the modeling and topology of the two vehicles studied. The first model is a two-axle chassis-cabin or van like vehicle, which belongs to the range of medium charge vehicles. The second one is a five-axle vehicle belonging to the truck or cabin semi-trailer model, belonging to the heavy industrial vehicles category. In this chapter, a comparative study is done between the simulations of these vehicles with each one of the formulations used and the improvements achieved are presented in a quantitative way with the different strategies proposed in this Dissertation. With the aim of deducing the conclusions more easily and to evaluate in a more objective way the improvements introduced in the Dissertation, all the results of this chapter have been obtained with the same computer, which was the top one among the Intel Xeon range in 2007, but which is rather obsolete today. Finally, Chapters 7 and 8 are dedicated to the final conclusions and the future research projects that can be derived from the work presented in this Dissertation. The objectives of doing real time simulations in high complex industrial vehicles have been achieved with the formulations and implementations developed.