Estabilidad de puentes líquidos bajo el efecto de una rotación no axilsimétrica

El estudio de la influencia de perturbaciones de distinta naturaleza en configuraciones de puentes líquidos apoyados en dos discos coaxiales en rotación encuentra una importante motivación en el uso de dicha configuración en la fabricación de cristales semiconductores ultra-puros por la denominada técnica de zona flotante, en la que la rotación de los discos se utiliza para alcanzar temperaturas uniformes. El presente estudio muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de un método numérico en el análisis de la estabilidad de puentes líquidos en isorrotación sometidos al efecto de una fuerza axial uniforme (gravedad axial) y una excentricidad entre el eje de giro y el eje de los discos. Se analiza el efecto de la aplicación de estos factores tanto de forma conjunta como por separado. Aunque existen numerosos estudios previos sobre puentes líquidos sometidos a diversos efectos, el análisis del efecto combinado de la rotación con excentricidad y gravedad axial no ha sido realizado con anterioridad. Este estudio permite además entender los resultados del experimento a bordo de la misión TEXUS-23, en el que un puente líquido sujeto entre dos discos circulares y coaxiales es sometido al efecto de una rotación creciente en torno a un eje desplazado respecto al eje de los discos. Aunque en el experimento no se impone una fuerza axial controlada, la desestabilización y rotura del puente se produce de forma notablemente asimétrica, lo que no puede ser explicado con los estudios precedentes y sugiere una posible presencia de una aceleración axial residual. Se ha desarrollado por tanto un método de análisis de imágenes que permite comparar las formas obtenidas en el experimento con las calculadas numéricamente. En este estudio se muestran los detalles del procesado realizado en las imágenes de la misión TEXUS-23, y los resultados de su comparación con el análisis numérico, que permiten determinar el valor de la gravedad axial que mejor reproduce los resultados del experimento. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia del conocimiento y la modelización de efectos cuya presencia (intencionada o no) afectan de forma visible a la estabilidad y la morfología de los puentes líquidos. ABSTRACT The study of the influence of various disturbances in configurations consisting of a liquid bridge supported by two co-axial disks in rotation has an important motivation in the use of this configuration in the fabrication of ultrapure semiconductor crystals via the so-called floating zone technique, in which the rotation of the disks is used to achieve a uniform temperature field. The present study shows the results obtained through the application of a numerical method in the analysis of the stability of liquid bridges in isorotation under the effect of a uniform axial force field (axial gravity) and an offset between the rotation axis and the axis of the supporting disks (eccentricity). The analysis studies the effect of both the combined and separate application of these factors. Although there are numerous studies on liquid bridges subject to various effects, the analysis of the combined effect of rotation with eccentricity and axial gravity has not been done before. Furthermore, this study allows us to understand the results from the experiment aboard the TEXUS-23 mission, in which a liquid bridge supported between two circular-shaped, co-axial disks is subject to the effect of an increasing rotation around an axis with an offset with respect to the axis of the disks. Although the experiment conditions do not include a controlled axial force field, the instability and breakage of the bridge occurs with a marked asymmetry, which cannot be explained by previous studies and suggests the possible presence of a residual axial gravity. Therefore, an image analysis method has been developed which allows to compare the shapes obtained in the experiment with those calculated with the numerical method. This study shows the details of the processing performed on the images from the TEXUS-23 mission and the results from their comparison with the numerical analysis, which allow to determine the axial gravity value which best recovers the experimental results. These results highlight the importance of the understanding and modelling of effects which, when present (intentionally or not), noticeably affect the stability and shape of the liquid bridges.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Traité de la résolution des équations numériques de tous les degrés /

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De l'analyse infinitésimale étude sur la métaphysique du haut calcul /

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Recueil de formules et de tables numériques /

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Numerical analysis of the modal coupling at low resonances in a Colombian Andean Bandola in C using the finite element method

The work presented in this thesis is concerned with the dynamical behavior of a CBandola's acoustical box at low resonances -- Two models consisting of two and three coupled oscillators are proposed in order to analyse the response at the first two and three resonances, respectively -- These models describe the first resonances in a bandola as a combination of the lowest modes of vibration of enclosed air, top and back plates -- Physically, the coupling between these elements is caused by the fluid-structure interaction that gives rise to coupled modes of vibration for the assembled resonance box -- In this sense, the coupling in the models is expressed in terms of the ratio of effective areas and masses of the elements which is an useful parameter to control the coupling -- Numerical models are developed for the analysis of modal coupling which is performed using the Finite Element Method -- First, it is analysed the modal behavior of separate elements: enclosed air, top plate and back plate -- This step is important to identify participating modes in the coupling -- Then, a numerical model of the resonance box is used to compute the coupled modes -- The computation of normal modes of vibration was executed in the frequency range of 0-800Hz -- Although the introduced models of coupled oscillators only predict maximum the first three resonances, they also allow to study qualitatively the coupling between the rest of the computed modes in the range -- Considering that dynamic response of a structure can be described in terms of the modal parameters, this work represents, in a good approach, the basic behavior of a CBandola, although experimental measurements are suggested as further work to verify the obtained results and get more information about some characteristics of the coupled modes, for instance, the phase of vibration of the air mode and the radiation e ciency

Asymptotic stability of a coupled Advection-Diffusion-Reaction system arising in bioreactor processes.

In this work, we perform an asymptotic analysis of a coupled system of two Advection-Diffusion-Reaction equations with Danckwerts boundary conditions, which models the interaction between a microbial population (e.g., bacterias), called biomass, and a diluted organic contaminant (e.g., nitrates), called substrate, in a continuous flow bioreactor. This system exhibits, under suitable conditions, two stable equilibrium states: one steady state in which the biomass becomes extinct and no reaction is produced, called washout, and another steady state, which corresponds to the partial elimination of the substrate. We use the method of linearization to give sufficient conditions for the asymptotic stability of the two stable equilibrium configurations. Finally, we compare our asymptotic analysis with the usual asymptotic analysis associated to the continuous bioreactor when it is modeled with ordinary differential equations.

Un asistente matemático en la enseñanza de la resolución de ecuaciones no lineales por el método de punto fijo

Este trabajo describe una experiencia realizada en un curso de análisis numérico dictado en la facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Mar del Plata (Argentina). La posibilidad de dictar clases en un laboratorio que cuenta con un número de computadoras que es apenas superado por la cantidad de alumnos permite promover un ambiente interactivo, de reflexión y experiencias que dan lugar a un verdadero aprendizaje significativo. En particular el programa Derive, conforma un importante recurso para mejorar las estrategias didácticas que sin dudas posibilitan lograr los objetivos propuestos.

Triangular mesh parameterization with trimmed surfaces

Given a 2manifold triangular mesh \(M \subset {\mathbb {R}}^3\), with border, a parameterization of \(M\) is a FACE or trimmed surface \(F=\{S,L_0,\ldots, L_m\}\) -- \(F\) is a connected subset or region of a parametric surface \(S\), bounded by a set of LOOPs \(L_0,\ldots ,L_m\) such that each \(L_i \subset S\) is a closed 1manifold having no intersection with the other \(L_j\) LOOPs -- The parametric surface \(S\) is a statistical fit of the mesh \(M\) -- \(L_0\) is the outermost LOOP bounding \(F\) and \(L_i\) is the LOOP of the ith hole in \(F\) (if any) -- The problem of parameterizing triangular meshes is relevant for reverse engineering, tool path planning, feature detection, redesign, etc -- Stateofart mesh procedures parameterize a rectangular mesh \(M\) -- To improve such procedures, we report here the implementation of an algorithm which parameterizes meshes \(M\) presenting holes and concavities -- We synthesize a parametric surface \(S \subset {\mathbb {R}}^3\) which approximates a superset of the mesh \(M\) -- Then, we compute a set of LOOPs trimming \(S\), and therefore completing the FACE \(F=\ {S,L_0,\ldots ,L_m\}\) -- Our algorithm gives satisfactory results for \(M\) having low Gaussian curvature (i.e., \(M\) being quasi-developable or developable) -- This assumption is a reasonable one, since \(M\) is the product of manifold segmentation preprocessing -- Our algorithm computes: (1) a manifold learning mapping \(\phi : M \rightarrow U \subset {\mathbb {R}}^2\), (2) an inverse mapping \(S: W \subset {\mathbb {R}}^2 \rightarrow {\mathbb {R}}^3\), with \ (W\) being a rectangular grid containing and surpassing \(U\) -- To compute \(\phi\) we test IsoMap, Laplacian Eigenmaps and Hessian local linear embedding (best results with HLLE) -- For the back mapping (NURBS) \(S\) the crucial step is to find a control polyhedron \(P\), which is an extrapolation of \(M\) -- We calculate \(P\) by extrapolating radial basis functions that interpolate points inside \(\phi (M)\) -- We successfully test our implementation with several datasets presenting concavities, holes, and are extremely nondevelopable -- Ongoing work is being devoted to manifold segmentation which facilitates mesh parameterization

Numerical estimation of Carbonate properties using a digital rock physics workflow

Digital rock physics combines modern imaging with advanced numerical simulations to analyze the physical properties of rocks -- In this paper we suggest a special segmentation procedure which is applied to a carbonate rock from Switzerland -- Starting point is a CTscan of a specimen of Hauptmuschelkalk -- The first step applied to the raw image data is a nonlocal mean filter -- We then apply different thresholds to identify pores and solid phases -- Because we are aware of a nonneglectable amount of unresolved microporosity we also define intermediate phases -- Based on this segmentation determine porositydependent values for the pwave velocity and for the permeability -- The porosity measured in the laboratory is then used to compare our numerical data with experimental data -- We observe a good agreement -- Future work includes an analytic validation to the numerical results of the pwave velocity upper bound, employing different filters for the image segmentation and using data with higher resolution

Sensitivity analysis in optimized parametric curve fitting

Purpose – Curve fitting from unordered noisy point samples is needed for surface reconstruction in many applications -- In the literature, several approaches have been proposed to solve this problem -- However, previous works lack formal characterization of the curve fitting problem and assessment on the effect of several parameters (i.e. scalars that remain constant in the optimization problem), such as control points number (m), curve degree (b), knot vector composition (U), norm degree (k), and point sample size (r) on the optimized curve reconstruction measured by a penalty function (f) -- The paper aims to discuss these issues -- Design/methodology/approach - A numerical sensitivity analysis of the effect of m, b, k and r on f and a characterization of the fitting procedure from the mathematical viewpoint are performed -- Also, the spectral (frequency) analysis of the derivative of the angle of the fitted curve with respect to u as a means to detect spurious curls and peaks is explored -- Findings - It is more effective to find optimum values for m than k or b in order to obtain good results because the topological faithfulness of the resulting curve strongly depends on m -- Furthermore, when an exaggerate number of control points is used the resulting curve presents spurious curls and peaks -- The authors were able to detect the presence of such spurious features with spectral analysis -- Also, the authors found that the method for curve fitting is robust to significant decimation of the point sample -- Research limitations/implications - The authors have addressed important voids of previous works in this field -- The authors determined, among the curve fitting parameters m, b and k, which of them influenced the most the results and how -- Also, the authors performed a characterization of the curve fitting problem from the optimization perspective -- And finally, the authors devised a method to detect spurious features in the fitting curve -- Practical implications – This paper provides a methodology to select the important tuning parameters in a formal manner -- Originality/value - Up to the best of the knowledge, no previous work has been conducted in the formal mathematical evaluation of the sensitivity of the goodness of the curve fit with respect to different possible tuning parameters (curve degree, number of control points, norm degree, etc.)

Reconstruction of inclusions in photothermal imaging

Photothermal imaging allows to inspect the structure of composite materials by means of nondestructive tests. The surface of a medium is heated at a number of locations. The resulting temperature field is recorded on the same surface. Thermal waves are strongly damped. Robust schemes are needed to reconstruct the structure of the medium from the decaying time dependent temperature field. The inverse problem is formulated as a weighted optimization problem with a time dependent constraint. The inclusions buried in the medium and their material constants are the design variables. We propose an approximation scheme in two steps. First, Laplace transforms are used to generate an approximate optimization problem with a small number of stationary constraints. Then, we implement a descent strategy alternating topological derivative techniques to reconstruct the geometry of inclusions with gradient methods to identify their material parameters. Numerical simulations assess the effectivity of the technique.

Comportamiento termomecánico de una funda para eje motriz durante el proceso de soldadura por fricción rotativa directa

La industria automotriz requiere una alta calidad en la fabricación de sus productos, tales como las fundas para diferencial, por lo que es de suma importancia tener un control sobre el comportamiento mecánico de estos productos. Los procesos de unión en estado sólido, son conocidos como procesos de unión permanente, o procesos de soldadura. Estos procesos son utilizados debido a su diversa aplicación en distintos tipos de industrias así como también en la unión permanente de materiales ferrosos y no ferrosos. La razón esencial que impulsa esta investigación es el impacto que presentan ciertas anomalías mecánicas en piezas del giro automotriz, afectando no solo la producción de estas, sino también sus costos finales. Motivo por el que se buscó desarrollar una metodología que permitió el análisis numérico de las deformaciones y deflexiones presentes así como esfuerzos y cargas en el proceso de soldadura por fricción rotativa que se encuentra en la línea 2 de la planta de SISAMEX, S.A. de C.V. En este estudio se logró desarrollar un modelo computacional para estudiar el conjunto de elementos durante el proceso de soldadura por fricción rotativa directa. La geometria de la funda-husillo influyó considerablemente en el comportamiento mecanico durante el proceso de unión. De acuerdo a los resultados experimentales y el análisis numérico se observó que los desplzamientos mayores se generan durante la fase 2, siendo en la fase 3 mínimos o nulos. Se logró replicar con éxito el proceso de soldadura por fricción rotativa mediante un análisis numérico 2D mediante un paquete comercial CAE, así mismo se realizó la simulación del proceso en condiciones ideales y modificadas mediante un análisis 3D y se validó a través de pruebas experimentales en planta.

Simulación de excavaciones urbanas mediante modelos de elementos finitos en depósitos sedimentarios de origen aluvial en Sabaneta

En este trabajo se realizan simulaciones de excavaciones profundas en suelos de origen aluvial en la ciudad de Sabaneta, mediante el empleo de modelos en elementos finitos integrados por el software PLAXIS® -- Los desplazamientos horizontales son comparados con mediciones de inclinómetros instalados en el trasdós del muro diafragma anclado del proyecto Centro Comercial Mayorca Fase III, localizado en el municipio de Sabaneta, Antioquia -- Finalmente, se concluye acerca de la sensibilidad de los parámetros más relevantes según el modelo constitutivo empleado y la viabilidad en su aplicación para la solución del problema evaluado

Esquemas de volúmenes finitos de alto orden: implementación en GPUs y aplicación a la simulación de flujos geofísicos

En esta tesis doctoral se exponen los fundamentos teóricos necesarios en el diseño de esquemas numéricos de volúmenes finitos para sistemas hiperbólicos no conservativos de una y dos dimensiones. Para el caso unidimensional se repasan los conceptos de esquema camino-conservativo y esquema bien equilibrado, así como la extensión de los esquemas numéricos a alto orden, basados en la reconstrucción de estados. En particular, se presentan los esquemas de tipo PVM (Polynomial Viscosity Matrix), así como diversos esquemas de limitadores de flujo que resultan de la extensión natural del método WAF, utilizando como base algunos esquemas de tipo PVM. Para el caso bidimensional se aborda el diseño de esquemas numéricos camino-conservativos y bien equilibrados de volúmenes finitos para sistemas hiperbólicos no conservativos y su extensión a alto orden, en particular se presenta una reconstrucción de estados de tercer orden compacta y que resulta de la combinación WENO de paraboloides y planos. 
 Se presenta además el desarrollo de métodos numéricos para el sistema de aguas someras bidimensional de una capa. En particular se definen esquemas de primer orden de tipo HLL y FORCE y su extensión a alto orden, un método de limitadores de flujo basado en el esquema HLL-WAF, así como su implementación en arquitecturas de tipo GPU, usando el entorno de programación CUDA. A continuación, se presenta un esquema numérico de orden uno para el sistema de aguas someras de una capa bidimensional en coordenadas esféricas (longitud/latitud), así como la extensión natural del método de limitadores de flujo presentado en el Capítulo 3 a este sistema. Finalmente, se presenta la validación del esquema de limitadores de flujo mediante la simulación de tsunamis reales, y la comparación con datos de campo.