Los aros de humo y la turbulencia

En esta charla, hablaré sobre experimentos y simulaciones numéricas de colisiones de vortices en anillo. En este sistema, ocurre una rápida transferencia de energía de grandes escalas a pequeñas y puede ser usado como problema canónico para estudiar la cascada turbulenta. Se describirán y analizarán los tres mecanismos para la transferencia de energía en anillos y tubos, y se aplicará al caso general de la turbulencia, viendo que podemos aprender de este caso particular para el caso general de la turbulencia homogénea e isotropa.

Estudio de la dinámica de estelas producidas en flujos magnetohidrodinámicos

En este trabajo se exploran flujos generados mediante un método electromagnético no intrusivo en donde un fluido conductor (metal líquido) atraviesa un ducto de sección transversal rectangular uniforme en presencia de un campo magnético localizado, generado por imanes permanentes dispuestos de manera externa a la región de flujo. El movimiento del líquido conductor dentro del campo magnético da lugar a interacciones electromagnéticas que originan una fuerza de Lorentz que actúa en dirección opuesta al flujo, actuando como un obstáculo magnético. La dinámica de este flujo se explora a través de simulaciones numéricas tridimensionales mediante un código numérico que emplea el Método de Volúmenes Finitos, el cual es validado con resultados experimentales. En este tipo de flujos intervienen dos parámetros adimensionales, el número de Hartmann que estima la intensidad de la fuerza magnética comparada con la viscosa, y el número de Reynolds. En este trabajo, el número de Hartmann permanece fijo y se exploran diferentes valores del número de Reynolds, encontrando condiciones donde la presencia de la fuerza de Lorentz da lugar a la transición del flujo en estado estacionario a un estado dependiente del tiempo que origina la formación de una calle de vórtices.

Efecto del número de Biot en la convección natural de un fluido newtoniano en una cavidad

El efecto de las conductividades térmicas de las paredes que confinan a un fluido en una cavidad rectangular son consideradas para dar una perspectiva más realista de las condiciones para el inicio de la convección natural en el seno de un fluido newtoniano. El problema consiste de una cavidad en 2D con paredes sólidas y fijas; mientras que se calienta por abajo únicamente. Para el presente estudio se consideraron diferentes razones de aspecto de la cavidad para determinar el número de Rayleigh como valor propio. Puesto que el objetivo principal de este trabajo era ampliar el espacio de los parámetros que definen las condiciones de criticalidad del inicio de la convección, se obtuvieron diversos conjuntos de curvas de criticalidad del número de Rayleigh contra el número de Biot para diferentes razones de aspecto. La solución del problema se realizó numéricamente mediante una extensión del método de Galerkin para tratar el problema de valor propio. Los resultados fueron validados con reportes de previos autores para el caso de la convección natural en capas de fluido newtoniano, por ejemplo. El estudio del problema consistió en mapear las propiedades conductivas de las paredes desde muy buenas conductoras del calor hasta paredes aislantes; mientras que la razón de aspecto fue variada desde cavidades muy angostas hasta cavidades anchas.

Simulación de propagación de ondas sísmicas con Deep Learning

En esta plática veremos cómo usar las redes neuronales para resolver ecuaciones diferenciales, una introducción a este tema. En la segunda parte veremos cómo se pueden usar las redes neuronales profundas para resolver problemas de simulación de propagación de ondas sísmicas.

Efecto de la gravedad sobre perfiles de gotas líquidas

Si bien, existen varios trabajos que estudian la deformación causada por la gravedad sobre perfiles de gotas líquidas colocadas en superficies sólidas, se ha hablado poco o nada sobre como varía la forma funcional de la ecuación diferencial de Young-Laplace, la cual rige el comportamiento de estos perfiles, en este trabajo se muestra esta variación en su forma funcional de acuerdo al plano de simetría del sistema considerado y su dependencia con la coordenada elegida para escribirla, encontrando 2 formas funcionales para cada determinado sistema a considerar, además como alternativa se propone el uso de ambas formas funcionales como solución al problema existente del punto singular en los perfiles de gotas líquidas que su ángulo de contacto supera los 90°, ayudándonos a obtener perfiles con ángulos de contacto desde 0° a 180° evitando el punto singular y permitiéndonos estudiar el fenómeno completo. Por otro lado, mediante el radio de curvatura a lo largo del perfil hemos evaluado la distorsión causada por la gravedad sobre el mismo, mostrando que los efectos gravitatorios pueden ser más importante de lo que se puede llegar a pensar, dependiendo dicha deformación de parámetros como ángulo de contacto y volumen de la gota.

Modelado exergético y termoeconómico para el análisis de costo de un ciclo de secado de ropa en una secadora eléctrica

En el presente estudio se realiza un análisis energético y una evaluación termoeconómica a partir de pruebas de desempeño de una secadora de ropa de uso doméstico. La secadora es del tipo venteo que comprende de un elemento calefactor de resistencias eléctricas, un motor-correa que mueve tambor y un segundo motor para mover un ventilador centrífugo. Para la realización del análisis exergético se ha calculado la energía y exergía de cada una de las etapas de la secadora mediante los correspondientes balances de dichas magnitudes, así como el de masa. Para la realización de la evaluación termoeconómica de la secadora se definen las distintas variables necesarias, así como los métodos y caminos seguidos para el cálculo de estas. Esta evaluación, está basada en los principios de la Contabilidad Energética y Termoeconómica del sistema de secado. Se destaca que la información que se obtiene es fundamental tanto para el diseño como para la optimización del sistema con el objeto de minimizar los costes. Se examina la relación entre el ahorro eléctrico y la exergía destruida, así como, la relación del ahorro económico al final de un ciclo de secado entre la inversión realizada y la exergía destruida si se tuviera una recuperación.

The exascale supercomputing era and the ENERXICO Project

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Análisis Sobre la Evolución de la Cavitación Acústica

Las ondas acústicas en el espectro del ultrasonido de alta intensidad generan el fenómeno conocido como cavitación acústica, el cual consiste en la formación, crecimiento e implosión de microburbujas, donde genera un gradiente de temperatura en escalas de tiempo muy rápido. En este trabajo se presentan los estudios sobre el origen y evolución de la cavitación acústica, donde por primeros principios se analizó el origen de la burbuja, luego Rayleigh agrego las condiciones de entorno que envolvieron a la burbuja. Posteriormente, Plesset complemento el modelo de Rayleigh implementando el crecimiento de la burbuja dependiente del tiempo, así como las propiedades físicas de la burbuja como tensión superficial, viscosidad dinámica, etc. Gilmore por su parte, enriqueció el modelo de la burbuja proponiendo un modelo donde implementó los términos de velocidades de crecimiento de la burbuja, así como la entalpía y complementando con los parámetros de van der Waals. En la década de los 80’s Keller-Miksis, implementó el modelo agregando un campo acústico oscilatorio. En la actualidad se continúa explorando y mejorando los modelos de las microburbujas debido al amplio campo de aplicación y donde en las últimas décadas se han implementado en el área de los alimentos y en la exploración de fármacos, por mencionar algunos ejemplos.

Estudio y Medición de la Potencia Acústica en Baños Ultrasónicos: Una Aproximación al Vector Acústico de Poynting

Un baño ultrasónico tiene como función la limpieza de diversos materiales, como son refacciones, joyerías, cristalerías, materiales oftalmológicos, materiales quirúrgicos, sistemas balísticos y bélicos, etc. Además, en las últimas dos décadas, se han incrementado las investigaciones en el procesamiento, tratamiento y conservación de los alimentos, así como en el estudio de fármacos, utilizando baños ultrasónicos de diferentes capacidades volumétricas y eléctricas. Sin embargo, en la mayoría de los estudios reportados en la literatura, la información que proporcionan sobre la potencia de los equipos que utilizan muestran una gran inconsistencia, con respecto a los datos del fabricante. En este trabajo, se presenta un estudio para determinar la intensidad acústica de un par de baños ultrasónicos de la marca Elmasonic®. Se aplicó la formulación de calorimetría para determinar la potencia acústica de cada sistema de ultrasonicación. Se utilizó 500ml de agua destilada en cada sistema. Se uso un registrador de datos Elitech GSP-6 para medir la variación de temperatura. La homogeneidad de la temperatura del agua embebida en los baños ultrasónicos fue generada intrínsecamente por el campo acústico oscilante del funcionamiento del ultrasonicador. El tiempo de funcionamiento fue de 30 minutos. La temperatura, humedad y presión atmosférica del laboratorio donde se realizaron los experimentos fueron de 18°C, 25% y 1024.5hPa, respectivamente. Los resultados muestran una metodología para determinar la potencia acústica, a partir de la formulación de calorimetría. Se describen las relaciones de temperatura vs tiempo. Además, se determina las intensidades acústicas de cada baño ultrasónico utilizado. Los resultados obtenidos describen una aproximación al Vector Acústico de Poynting, homólogo al de las ondas electromagnéticas.

Análisis de señales de sonido con Python3

Alberto Vazquez Naranjo (alberto75@ciencias.unam.mx), Roxana Mitzayé del Castillo Vázquez (roxanadelcastillo@ciencias.unam.mx). Departamento de Física, Facultad de Ciencias, UNAM. En este trabajo se reportan señales de audio grabadas de un flujo de burbujas de aire en agua. Se obtuvieron tres regímenes de flujo, bajo-0.177 psi, medio-0.192 psi y alto-0.206 psi, y sus señales de audio fueron grabadas usando un elemento piezoeléctrico (CPT-1762-90SM) conectado a una tarjeta de sonido externa (USB-UGREEN Stereo Sound Card, Shenzhen-China). El análisis de las señales acústicas consistió en determinar su forma de onda, espectro de frecuencias y sonogramas empleando códigos abiertos programados en el lenguaje de programación de alto nivel Python3. En específico se usaron las librerías: Matplotlib, Numpy, Librosa y Scipy. Los resultados indican que el software libre es una buena opción para el análisis de este tipo de señales y con grandes expectativas a futuro.

Control pasivo del flujo que pasa por un cilindro rectangular con superficie perturbada

El flujo incompresible que pasa por un cilindro rectangular ha sido ampliamente estudiado debido a su importancia para el diseño de estructuras en ingeniería oceánica y vehículos de transporte. En este contexto, el control pasivo del flujo a Re=$10^5$-$10^7$ cobra importancia para la reducción de la resistencia y el control de la sustentación. Inspirándonos en morfologías biológicas, realizamos simulaciones LES de flujo turbulento alrededor de un cilindro rectangular cuya superficie ha sido modificada, con el objetivo de obtener siluetas modificadas que controlen el flujo a Re=$10^7$. Se llevó a cabo un estudio sistemático implementando diferentes tipos de hendiduras (o protuberancias) equidistantes en la superficie del cilindro. Los objetos se diseñaron en FreeCAD y las simulaciones se realizaron en OpenFOAM utilizando el modelo de turbulencia Spallart-Almaras. Teniendo en cuenta la importancia en el diseño de vehículos, se analizan las morfologías resultantes centrándose en aquellas que aportan la mínima resistencia aerodinámica.

Estudio Teórico y de Simulación de las trayectorias de una partícula esférica inmersa en una solución electrolítica en condiciones de electroforesis, confinada en un canal

Estudiamos teóricamente y por simulación de computadora las trayectorias de una partícula inmersa en una solución electrolítica confinada en un canal, bajo condiciones de electroforesis capilar. La manipulación de micropartículas por medio de campos eléctricos es de importancia fundamental en varias áreas de la biomedicina, y en general de la tecnología. La separación de micropartículas requiere de su conocimiento detallado en un ambiente acuoso. En este trabajo presentamos el estudio de una partícula esférica sometida a campos eléctricos y un gradiente de presiones. El estudio consiste en resolver la ecuación de Laplace y de Navier-Stokes, para este estudio consideramos la condición de capa delgada, de no deslizamiento y que el tamaño de la micropartícula es mucho mayor que la doble capa. Con lo cual, para su movilidad consideramos la expresión de Helmholtz-Smoluchowski. La simulación la realizamos por medio del método de elemento finito, presentamos los perfiles de velocidad alrededor de la micropartícula, las líneas de campo eléctrico y sus trayectorias para diferentes velocidades.

Disecación de gotas de sangre sobre superficies inclinadas

El estudio estructural de patrones en gotas secas de biofluidos ha permitido extraer biomarcadores útiles para el diagnóstico de patologías. Se han reportado numerosos trabajos sobre la formación de patrones en gotas secas, sin embargo, se desconoce el efecto de superficies inclinadas sobre los mecanismos de transporte de masa y agregación que dan lugar a la morfología final de patrones. En este trabajo se reporta el estudio experimental de la formación de gotas secas de sangre sobre superficies inclinadas de acrílico. Utilizamos el ángulo de contacto, altura y diámetro de la gota para caracterizar el secado de gotas. Encontramos tres regiones claramente diferenciadas en el interior de los depósitos: la región central, la región del anillo de café y la región periferia. Mientras que en gotas inclinadas a 180 grados se incrementa el número de gritas y se reduce el grosor del anillo de café, gotas inclinadas a 90 grados producen gradientes de concentración de eritrocitos. Finalmente, encontramos que estas últimas son capaces de revelar, a simple vista, hiperlipidemia en pacientes.

Análisis experimental y numérico del proceso de cambio de fase de un material en una celda hele shaw vertical debido a un flujo de calor no uniforme

Este trabajo presenta un estudio experimental y numérico del proceso de cambio de fase de cera parafina. El material se encuentra contenido en una celda hele shaw en posición vertical. La energía necesaria para el proceso es debida a una fuente de radiación no uniforme. Se evaluó un ciclo completo para analizar los procesos de fundición y solidificación. La observación experimental se realiza por medio de una cámara termográfica. Se evaluó la temperatura y la posición de la zona de cambio de fase. Usando COMSOL multiphysics, se resolvieron numéricamente las ecuaciones de la dinámica de fluidos y la ecuación de la energía usando la formulación de la entalpia para modelar el proceso de cambio de fase. Se utilizó la condición de radiación no informe y condiciones de enfriamiento convectivo. Se calculó la fracción líquida y la forma de la interfaz sólido-líquido. Para validar el modelo numérico, se hizo una comparación cuantitativa con las observaciones experimentales. Este estudio puede ser importante para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica de calor latente (LHTES).

Diseño, construcción y optimización de un sistema de propulsión

Se desarrolla un sistema experimental de propulsión con base en un turbocargador acoplado a una cámara de combustión con diseño propio. El combustible es insertado a través de un inyector y encendido mediante un sistema de bujía. Los gases de la combustión activan la turbina del turbocargador y también el ventilador que comprime aire hacia la cámara de combustión. Esto favorece la combustión a mayor temperatura y empuja los gases de la combustión a la tobera de salida, generando una fuerza de empuje. Eso es la base para desarrollar sistemas de propulsión en aeronaves.

Caracterización de metales líquidos en configuración de MBH

La gota de mercurio palpitante, MBH por sus siglas en inglés, es un oscilador químico-mecánico que consiste en colocar una cantidad de mercurio líquido en un vidrio de reloj y sumergirlo de un electrolito para posteriormente poner en contacto a la superficie de la gota con un material conductor para dar inicio con los latidos del mercurio. Las investigaciones reportaron que estas pulsaciones o contracciones se deben a la reacción superficial que modifica la tensión superficial del mercurio. Sin embargo esta explicación no es suficiente para la variedad de dinámicas que el mercurio exhibe siendo aún tema abierto el entender el fenómeno detrás. Recientemente ha aumentado el interés por el entendimiento del comportamiento de metales líquidos a T ambiente no solo del mercurio sino de otros metales puros o mezclas con menor riesgo para su manipulación por sus potenciales propiedades como materiales de contacto. En este trabajo se presenta la caracterización de la dinámica de la gota de mercurio en su configuración clásica así como controlada con potenciostato para posteriormente caracterizar y comparar el experimento con otros dos metales líquidos de interés como son el galio y una aleación de galio-indio.

Estudio Teórico y de Simulación de la Desviación de una Partícula debido al Flujo electroosmótico reflejado por un poste fijo

Estudiamos teóricamente y por simulación las trayectorias de micropartículas en un canal inmersas en una solución electrolítica acuosa, bajo la acción de un flujo y un campo eléctrico externo, en medio del canal se encuentra un poste fijo. La interacción entre la micropartícula y el poste es por medio del flujo electroosmótica, la influencia de este flujo determina la trayectoria de la micropartícula. Para esto resolvemos la ecuación de Laplace y la ecuación de Navier Stokes, esto por medio del método de elemento finito, con esto se integran las ecuaciones de las trayectorias. Presentamos las desviaciones de las trayectorias en función de los parámetros de control, flujo y campo eléctrico aplicado, también, se muestran los perfiles de trayectorias as trayectorias.

Simulación y experimento de una ola superficial frente a escalón en el fondo con alturas diferentes

Usando un canal de agua de sección rectangular se genera una ola solitaria con amplitud ajustable en un extremo. Al propagarse la ola hacia el extremo opuesto, cierta distancia después llega a interaccionar con un escalón colocado sobre el fondo del canal pero con una altura menor a la profundidad del agua. Cambiando la altura del escalón, se observan los cambios al atravesar la ola sobre el escalón y posteriormente se hacen las simulaciones y los experimentos para compararlos. Se presentan gráfica de la onda solitaria, simulaciones y fotogramas correspondientes para cada altura del escalón.

Análisis de sistemas PCR de convección libre y cinética de las reacciones mediante modelos espacialmente dependientes

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) es una técnica ampliamente utilizada para diagnóstico molecular debido a su alta sensibilidad ya esta genera copias de fragmentos específicos de cadenas de ADN sometiendo a ciclos térmicos soluciones de nucleótidos y enzimas. Una variante de la PCR es la PCR de convección libre la cuál genera flujos en el fluido debido a gradientes de temperatura constantes producidos por un sistema de control de temperatura pasivo donde se mantienen extremos del dispositivo a temperatura constante. Esta variante de la PCR separa espacialmente las distintas fases de la prueba, permite reduce los tiempos de realización de la prueba, abarata costos debido a la simplificación del termo ciclado y es más simplifica el diseño y construcción de sistemas que realicen esta prueba. Mediante análisis por elementos finitos son simulados distintos sistemas PCR de convección libre y optimizados para generar gradientes de temperatura ideales que generen flujos que permitan una mayor eficiencia para el transporte de especies y cinética de las reacciones mediante modelos espacialmente dependientes.