Apuntes de Mecánica de Fluidos

Esta publicacion contiene unos apuntes para la parte de Mecánica de Fluidos de las asignaturas de la ETSAM, junto con cierta cantidad de material adicional que excede el ámbito del curso. Aunque está lejos de ser completa y de estar libre de errores, el autor espera sea útil.

Simulación computacional hidrdinámica de flujo incompresible a través de un codo

El objetivo del presente estudio es obtener los campos de presión, velocidad y patrones de líneas de corriente, caída de presión a través de un codo, mediante simulación computacional utilizando un programa comercial de CFD. Para ello se emplea como fluido de trabajo agua como líquido saturado a 25ºC y Número de Reynolds (Re) igual a 2x10 5, la cual fluye a través de un codo liso de 90º con relación radio de curvatura/radio de la tubería (R/r) igual a 1. Se utiliza una malla no estructurada de elementos tetraédricos y hexaédricos en las zonas cercanas a las paredes internas y el modelo de turbulencia k-E con leyes de pared escalables.

Los métodos proyectivos en la mecánica de los medios contínuos

El Método de las Ecuaciones Integrales es una potente alternativa a los Métodos de Dominio tales como el Método de los Elementos Finitos. La idea ensencial es la combinación de la clásica relación de la reciprocidad con la filosofía de la discretización del F.E.M. La aplicación a algunos problemas reales ha demostrado que en ciertos casos el B.I.E.M. es preferiole al F.E.M. y ello es especialmente así cuando los problemas a tratar son tridimensionales y con geometría complicada. En esta ocasión se analizan comparativamente algunos aspectos matemáticos del procedimiento = Boundary integral equation method (B.I.E.M.)is a powerful alternative to the domain methods, as the well know Finite Element Method (F .E.M.) The esential idea, are the combination of the classical reciprocity re!ations with the discretization phylosophy of F.E.M. The reduction in dimension of the domain to be discretized, the easy treatment of infinite domains and the high accuracy of the results are the main adventages of B.I.E.M. Between the drawacks the nonsymetry and non sparseness of the matrices to be treated are worth remembering. Application to several real problems has shown that in certain cases B.I.E.M. is better than F.E.M. and this is specially true when tridimensional problems of complicated geometries have to be treated. Active research is in progress of its extensión to non linear and time dependent problems.

Retos y oportunidades de la investigación transdisciplinar. Reflexión sobre el papel de la mecánica de materiales en biomedicina : discurso del académico electo Excmo. Sr. D. Manuel Doblaré Castellano y contestación del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez

En este discurso de ingreso se destacó la importancia de la Mecánica de Materiales y el Modelado Matemático en Biomedicina y, en particular, se mostraron algunas aportaciones relacionadas con el comportamiento funcional de tejidos biológicos. Más en concreto se discutió la importancia de la transdisciplinariedad en la investigación actual y el papel que en esa búsqueda de un lenguaje común entre disciplinas tienen el modelado matemático y la simulación computacional.En particular, en la nueva Biomedicina basada en la evidencia, la interacción transdisciplinar es esencial, como lo demuestran resultados tan evidentes como los dispositivos e implantes inteligentes, las nuevas técnicas de imagen médica, la aparición de órganos artificiales o las crecientemente importantes técnicas de Ingeniería Tisular y Terapias Génica y Celular. Uno de los aspectos de creciente estudio en los últimos años es la epigenética, es decir, el estudio de la influencia del entorno específico de cada individuo en su respuesta biológica. Uno de estos estímulos externos, que se está constatando como fundamental, corresponde a las deformaciones, y ello en todas las escalas: molecular, celular, tisular y orgánica, dando lugar a una nueva subdisciplina: la Mecanobiología de creciente interés. En ella se acoplan los fenómenos mecánicos (movimiento, deformaciones, tensiones,..) con los biológicos (respuesta celular, expresión génica, adaptación tisular, regeneración y morfogénesis orgánica, etc.) y, en general, con otros campos físicos como la bioquímica o la electricidad también acoplados en los procesos de señalización y expresión celular. De nuevo el modelado multiescala y multifísico de estos problemas es esencial en su comprensión última y en el diseño de nuevas estrategias quirúrgicas, terapéuticas o de diagnostico. En este discurso se mostraron los problemas y posibilidades de estas metodologías y su aplicación en problemas tales como el diseño de implantes, la remodelación reparación y morfogénesis óseas, así como en la planificación preoperatoria y cirugía virtual.

El método de los elementos de contorno en los problemas de mecánica del suelo

La preparación de estas notas ha llevado, al más veterano de los autores, a rememorar sus primeros tanteos con los métodos numéricos. Tratando de desarrollar su tesis doctoral sobre efectos dinámicos en puentes de ferrocarril, descubrió, en 1968, en la biblioteca del Laboratorio de Transporte (donde el profesor ]iménez Salas era Director) las Actas de la reunión ASTM en las que Quilan y Sung proponían la asimilación del comportamiento dinámico del semiespacio elástico a un sistema con un grado de libertad. Además de incorporar estos resultados a un modelo de puente para tener en cuenta los fenómenos de interacción dinámica terreno-estructura dicho autor entró en contacto con algunos miembros del equipo de investigación del Prof. ]iménez Salas que, por entonces, estaba explorando la posibilidad de aplicación del ordenador y los métodos numéricos necesarios para tratar los problemas más difíciles de Mecánica de los Medios Continuos. De hecho fue ese grupo quien contribuyó a introducir en España el método de los elementos finitos en la ingeniería civil, pero además, y en relación directa con el título de este artículo fue el propio ]iménez Salas quién inició la línea de trabajo de lo que mas tarde se ha llamado Método Indirecto de Elementos de Contorno que luego fue seguida por otros miembros de su grupo. En aquélla época poco podía sospechar el autor precitado que iba a dedicar una parte sustancial de su vida al desarrollo de ese método numérico en su versión Directa y mucho menos que gran parte de la motivación vendría del problema de interacción dinámica terreno-estructura, una de cuyas primeras soluciones había obtenido en la mencionada visita al Laboratorio de Transporte. En efecto los autores trataban en 1975 de encontrar un procedimiento que les permitiera afrontar el estudio de la interacción en túneles sometidos a carga sísmica y tropezaron, al utilizar el método de elementos finitos, con el problema de las reflexiones de ondas en los contornos artificiales creados al truncar la malla de cálculo. Deseando evitar el uso contornos absorbentes y otros recursos similares se exploró la posibilidad de soluciones fundamentales que incorporasen el comportamiento en el infmito y, fruto de ello, fueron los primeros trabajos que introdujeron el Método Directo de los Elementos de Contorno en España en problemas estáticos. La extensión a teoría del potencial, dinámica en el dominio de la frecuencia, plasticidad, etc tuvo lugar inmediatamente siendo en la mayoría de los casos los problemas típicos de mecánica del suelo los que motivaron y justifican el esfuerzo realizado. Un campo apasionante, el de la poroelasticidad ha dado lugar a nuevas contribuciones y también se han escrito libros de diverso calado que describen las posibilidades del método para dar contestación a preguntas de gran importancia técnica. Los autores quieren poner de manifiesto que la redacción de este trabajo, debe considerarse no solo como la muestra de algunos resultados de aplicación a problemas prácticos, sino también como un homenaje y reconocimiento explícito a la labor precursora del Prof. ]iménez Salas y a su espíritu de permanente curiosidad por el conocimiento científico.

La impulsividad mecánica durante la conducción: definición y medición

La ponencia muestra las relaciones entre variables físicas de la conducción (aceleraciones, jerks, etc) capturadas con un smartphone y variables psicológicas como impulsividad, agresividad, etc.

Caracterización físico-mecánica de la madera de Abies alba Miller procedente del pirineo español mediante probetas libres de defectos

El objetivo de esta investigación es proporcionar valores actualizados y representativos de las propiedades físicas y mecánicas de la madera de abeto del Pirineo español para permitir su comparación con otras procedencias y especies maderables. Los ensayos se realizaron a partir de probetas libres de defectos obtenidas a lo largo del fuste y se determinaron las propiedades de acuerdo a las normas UNE de los ensayos correspondientes. Se concluye que la madera es ligera (ρ = 0,48 g/cm3), blanda (H = 1,71 mm-1) y moderadamente nerviosa (v = 39,43%). La resistencia a flexión (MOR = 78,70 N/mm2) es baja y a compresión (MCS =  44,88 N/mm2) media. Presenta un comportamiento al impacto medio (K = 41,46 N/mm) y bajo a hienda (C = 19,92 N/mm), tracción perpendicular tangencial y radial (1,71 y 1,68 N/mm2). Las diferencias obtenidas con respecto a otras procedencias de esta especie pueden deberse a que el abeto se encuentra en su límite de distribución geográfica y en consecuencia las condiciones específcas de sitio tienen mayor influencia en las propiedades de la madera.

Analysis of the discharge capacity of radial-gated spillways using CFD and ANN - Oliana Dam case study.

The paper focuses on the analysis of radial-gated spillways, which is carried out by the solution of a numerical model based on the finite element method (FEM). The Oliana Dam is considered as a case study and the discharge capacity is predicted both by the application of a level-set-based free-surface solver and by the use of traditional empirical formulations. The results of the analysis are then used for training an artificial neural network to allow real-time predictions of the discharge in any situation of energy head and gate opening within the operation range of the reservoir. The comparison of the results obtained with the different methods shows that numerical models such as the FEM can be useful as a predictive tool for the analysis of the hydraulic performance of radial-gated spillways.

Efecto de una exposición aguda a una estimulación neuromuscular mecánica en el tiempo de respuesta electiva a pie parado en tiradores de esgrima

En este trabajo se aplicó un protocolo de exposición aguda a las vibraciones en competidores de esgrima de nivel nacional, para analizar el efecto producido sobre el sistema neuromuscular en el tiempo de respuesta electiva.

Mecánica de medios continuos y teoría de estructuras

En este capítulo se reflexiona sobre la evolución en el siglo XIX de lo que en Italia solían llamar scienza delle construzioni. En dos palabras: se trata de la aplicación de modelos de cálculo basados en la mecánica racional para determinar la seguridad de las construcciones. En este sentido, el XIX ofrece un cambio radical respecto al panorama de siglos anteriores, en los que lo fundamental era la experiencia constructiva y el proceso lento; lento tanto en la formación de técnicos como en la materialización de obras, donde la falta de herramientas de cálculo para prever comportamientos condujo en ocasiones al uso de modelos físicos a escala reducida para demostrar la seguridad de las construcciones o la factibilidad de su proceso edilicio. El capítulo se refiere exclusivamente a modelos abstractos (ni siquiera a los ensayos de laboratorio que pusieron de manifiesto nuevos fenómenos), a pesar de lo cual conviene arrancar con cuatro ejemplos reales, uno por cada cuarto de siglo que pongan de manifiesto los cambios de enfoques producidos en la construcción El primero es una celebrada estructura de madera cuya seguridad fue comprobada mediante ensayos sobre elementos a escala real. Insuperable en la elegancia de su diseño, el segundo, el viaducto de las Cabrillas (1851), fue proyectado y construido en piedra por Lucio del Valle en la cuesta de Contreras. El tercer ejemplo podría ser un puente colgante o «colgado», como se denominaban en la época, de los numerosos que se construyeron en España en la segunda mitad de siglo, pero, por su envergadura y tipología, se ha decidido escoger un caso más tardío: el viaducto del Salado, en la línea de ferrocarril Linares-Almería, proyecto de José Olano (1897) llevado a cabo por la compañía Fives-Lille. El proceso de lanzamiento por empuje hasta entroncar con el túnel del estribo izquierdo fue presenciado en enero de 1899 por un grupo de alumnos de la Escuela de Caminos encabezados por su director, Rogelio Inchaurrandieta, y diferentes profesores, entre los que se encontraban Serafín Freart, encargado de Mecánica Aplicada, y Luis Gaztelu, profesor de Puentes. Con sus pilas de alrededor de 110 m de altura y sus vanos de otro tanto, es un buen ejemplo de lo que] avier Mantero la llama «la gran invención de todo el siglo XIX: la viga en celosía, invención de tanta o mayor trascendencia que la bóveda de piedra para el arco" (Manterola, 2006. Aunque las cerchas de bronce del Panteón de Roma, debidas a Apolodoro de Damasco, o los esquemas de Palladio y las cubiertas de inglesias góticas son precursores de esta tipología (Mainstone, 1975), está laro que sólo en el siglo XIX el cálculo permitió racionalizar los diseños y alcanzar la simplicidad y efectividad que Manterola reconoce como invención. Finalmente, se hace referencia al puente de Golbardo en Santander, uno de los primeros de hormigón armado en España (1900). Este material llegará a su pleno desarrollo en el siglo XX, no sin vencer la desconfianza de sucesivas generaciones. En resumen, a los materiales clásicos, madera y piedra, se añaden en el siglo XIX los hierros y aceros, así como finalmente, el hormigón. Ello motiva una reconsideración de la tipología, de las ideas sobre seguridad estructural, sobre los métodos constructivos y sobre el cálculo que produce la gran eclosión en la representación abstracta del comportamiento de las construcciones, lo cual sólo es posible gracias al progreso de las ciencias. En este capítulo se intentará, en un primer apartado, resumir la experiencia teórica hasta que Coulomb escribe su magistral ensayo. A continuación se tratarán someramente las diferentes líneas de trabajo generadas en países extranjeros y, finalmente, se dará una visión personal de los esfuerzos llevados a cabo en España, que, aún disponiendo de centros docentes perfectamente conectados con lo que sucedía en el extranjero, no fue capaz de generar ninguna aportación original al debate internacional.

High fidelity simulations of failure in fiber-reinforced composites

Los ensayos virtuales de materiales compuestos han aparecido como un nuevo concepto dentro de la industria aeroespacial, y disponen de un vasto potencial para reducir los enormes costes de certificación y desarrollo asociados con las tediosas campañas experimentales, que incluyen un gran número de paneles, subcomponentes y componentes. El objetivo de los ensayos virtuales es sustituir algunos ensayos por simulaciones computacionales con alta fidelidad. Esta tesis es una contribución a la aproximación multiescala desarrollada en el Instituto IMDEA Materiales para predecir el comportamiento mecánico de un laminado de material compuesto dadas las propiedades de la lámina y la intercara. La mecánica de daño continuo (CDM) formula el daño intralaminar a nivel constitutivo de material. El modelo de daño intralaminar se combina con elementos cohesivos para representar daño interlaminar. Se desarrolló e implementó un modelo de daño continuo, y se aplicó a configuraciones simples de ensayos en laminados: impactos de baja y alta velocidad, ensayos de tracción, tests a cortadura. El análisis del método y la correlación con experimentos sugiere que los métodos son razonablemente adecuados para los test de impacto, pero insuficientes para el resto de ensayos. Para superar estas limitaciones de CDM, se ha mejorado la aproximación discreta de elementos finitos enriqueciendo la cinemática para incluir discontinuidades embebidas: el método extendido de los elementos finitos (X-FEM). Se adaptó X-FEM para un esquema explícito de integración temporal. El método es capaz de representar cualitativamente los mecanismos de fallo detallados en laminados. Sin embargo, los resultados muestran inconsistencias en la formulación que producen resultados cuantitativos erróneos. Por último, se ha revisado el método tradicional de X-FEM, y se ha desarrollado un nuevo método para superar sus limitaciones: el método cohesivo X-FEM estable. Las propiedades del nuevo método se estudiaron en detalle, y se concluyó que el método es robusto para implementación en códigos explícitos dinámicos escalables, resultando una nueva herramienta útil para la simulación de daño en composites. Virtual testing of composite materials has emerged as a new concept within the aerospace industry. It presents a very large potential to reduce the large certification costs and the long development times associated with the experimental campaigns, involving the testing of a large number of panels, sub-components and components. The aim of virtual testing is to replace some experimental tests by high-fidelity numerical simulations. This work is a contribution to the multiscale approach developed in Institute IMDEA Materials to predict the mechanical behavior of a composite laminate from the properties of the ply and the interply. Continuum Damage Mechanics (CDM) formulates intraply damage at the the material constitutive level. Intraply CDM is combined with cohesive elements to model interply damage. A CDM model was developed, implemented, and applied to simple mechanical tests of laminates: low and high velocity impact, tension of coupons, and shear deformation. The analysis of the results and the comparison with experiments indicated that the performance was reasonably good for the impact tests, but insuficient in the other cases. To overcome the limitations of CDM, the kinematics of the discrete finite element approximation was enhanced to include mesh embedded discontinuities, the eXtended Finite Element Method (X-FEM). The X-FEM was adapted to an explicit time integration scheme and was able to reproduce qualitatively the physical failure mechanisms in a composite laminate. However, the results revealed an inconsistency in the formulation that leads to erroneous quantitative results. Finally, the traditional X-FEM was reviewed, and a new method was developed to overcome its limitations, the stable cohesive X-FEM. The properties of the new method were studied in detail, and it was demonstrated that the new method was robust and can be implemented in a explicit finite element formulation, providing a new tool for damage simulation in composite materials.

Desarrollo de un procedimiento para la observación y caracterización mecánica de células sobre sustratos opacos mediante microscopía de fuerzas atómicas : aplicación al estudio de linfocitos

Las células en los tejidos biológicos están continuamente sometidas a estímulos físicos tales como la presión hidrostática y esfuerzos de tracción, compresión o cortante, entre otros. La importancia de los estímulos mecánicos en el comportamiento de las células se ha reconocido recientemente al comprobarse cómo la naturaleza de estas fuerzas puede cambiar en patologías tales como las enfermedades vasculares o el cáncer. En respuesta a estos cambios, las células reaccionan modificando desde su forma o aspecto hasta su ciclo celular. Consecuentemente, el interés por el comportamiento mecánico de las células ha experimentado un auge creciente que ha requerido el desarrollo de varias técnicas de caracterización. En este contexto, se puede afirmar que una de las técnicas que ha irrumpido con más fuerza en esta nueva área, situada entre el mundo biológico y el físico, es la microscopía de fuerza atómica. En esta Tesis se ha abordado el estudio mediante microscopía de fuerza atómica de linfocitos de ratón que constituyen un linaje celular especialmente difícil de caracterizar mediante esta técnica por su tamaño y naturaleza no adherente. Los linfocitos, como actores fundamentales del sistema inmune, tienen gran importancia en la determinación de la respuesta que un organismo desencadena ante la presencia de un biomaterial. Bajo esta premisa, y como condición previa a la caracterización de los linfocitos, ha sido necesario el desarrollo de una metodología robusta y de amplia aplicabilidad que permita el estudio de células sobre biomateriales. Finalmente y con el objetivo de correlacionar el comportamiento mecánico de los linfocitos con alguna característica fisiológica relevante, se ha analizado la hipótesis de que el comportamiento mecánico pueda ser utilizado como marcador de la edad biológica. Consecuentemente se ha abordado el estudio del comportamiento mecánico de los linfocitos clasificados por grupos de edad, de manera que se han obtenido los primeros resultados que indican cómo puede manifestarse el proceso de inmunosenescencia -depresión del sistema inmune relacionada con el envejecimiento- en el comportamiento mecánico de las células del sistema inmune. Cells within tissues are continuously exposed to physical forces including hydrostatic pressure, shear stress, and compression and tension forces. The relevance of these mechanical stimuli has recently been recognised by different works in which significant changes were observed in these forces when they were measued in individuals affected by cardiovasvular diseases or cancer. Cells may alter their orientation, shape, internal constitution, contract, migrate, adhere, modify the synthesis and degradation of extracellular constituents, or even their life cycle in response to perturbations in their mechanical environment. As a consequence of this, the attention in cell mechanical behavior has undergone a significant thrust and novel techniques have been developed. In this context, atomic force microscopy has become a basic tool for the progress of this field. In this Thesis, the mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy. Lymphocytes play a main role in the immune system of the individual and, consequently, in the immune response triggered by the presence of a biomaterial. The observation and characterization of the lymphocytes required the development of a robust experimental procedure that allowed overcoming the difficulties related to the analysis of this cell lineage, in particular their relatively large size and non-adherent character. These procedures could be easily transferred to other non-adherent cell lineages. Finally, to check the viability of developed method, we study the lymphocyte mechanical behavior as a function of the murine ageing. The obtained data represent a first step in the knowledge about how mechanical stimuli can affect the age-dependent decrease in immunological competence, i.e., the immunosenescence.

Análisis mediante cálculo numérico (CFD) del comportamiento de anemómetros de cazoletas = CFD analysis of cup anemometers performance

El presente trabajo consiste en la simulación del flujo aerodinámico alrededor de cazoletas de anemómetros. Para ello se ha utilizado un código numérico o software comercial de análisis numérico de fluidos o CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabajo es un aporte más en la línea de investigación acerca del comportamiento de los anemómetros de cazoletas, que viene llevándose a cabo en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). La primera parte de este proyecto consistió en la realización de simulaciones de tipo estacionarias (esto es, con la cazoleta bajo un cierto ángulo de incidencia con respecto al viento pero sin movimiento de rotación). De esta forma se analiza de forma independiente y asilada la cazoleta en cada una de las diferentes posiciones a lo largo de un giro de 360 grados. Así pues, a varios modelos de cazoleta se les fue variando su posición en incrementos de 10 grados desde de la posición angular inicial q = 0º hasta q = 180º, ya que las cazoletas presentan un comportamiento simétrico. La segunda parte de este proyecto se destinó a la realización de otra serie de simulaciones de tipo no estacionarias. Este tipo de simulaciones se realizaron concretamente a sólo un modelo de cazoleta (cónica no porosa). Estas últimas simulaciones, en concreto nueve, se realizaron variando la velocidad angular de la cazoleta respecto a la velocidad del viento.

Un programa de generación autómatica de datos para cálculo de emparrillados planos (GEDE)

En numerosas ocasiones, la preparación de la entrada de datos de los programas existentes hoy en día, para cálculo de estructuras por computador (STRESS, STRUDL, NASTRAN etc.), resulta un problema costoso por el elevado número de horas/hombre que requiere y el incremento de la probabilidad de aparición de errores en los datos de entrada. El objetivo del presente programa GEDE (Generación de la Entrada de Datos de Emparrillado) consiste en obtener automáticamente los datos de entrada para un programa general de cálculo de emparrillado plano, a partir de un reducido número de datos básicos. Indudablemente, la parte de este programa consistente en la discretización de una estructura real en otra formada por nudos y barras, puede ser utilizada por otros tipos de cálculos estructurales diferentes del emparrillado. El presente programa GEDE, se ha implementado para su utilización en conjunción con un programa particular de cálculo EMPR1 (desarrollado por los autores), si bien su adaptación a otro tipo de programas de emparrillado es inmediata. El generar automáticamente gran parte de los datos supone una pérdida de generalidad, que puede implicar a veces, una limitación en cuanto a la tipología de los emparrillados a tratar. Estas limitaciones se discuten en detalle en la obra

Un elemento junta de contacto entre suelo y estructura

Se desarrolla un elemento finito especial que permite la conexión entre un elemento viga (con flexión) y un elemento cuadrilátero de extensión (tensión o deformación plana). Asimismo, este elemento especial sirve para modelizar la discontinuidad existente en el contacto entre diferentes materiales. La formulación en movimientos del elemento, permite su inserción directa en un programa general de elementos finitos y, de esta forma, calcular estructuras de hormigón en contacto con el suelo (muros de contención, cimentación, estructuras enterradas como túneles y tuberías, etc.), tanto en el rango elástico como en el elastoplástico, utilizando una potencia limitada en medios computacionales.