La física de los instrumentos de aliento

La familia de los instrumentos de aliento se distingue por la gran variedad tímbrica de sus miembros, debida a una amplia gama de efectos físicos que son explotados ingeniosamente por sus constructores e intérpretes. En general estos instrumentos consisten de un excitador, un resonador y un extremo abierto a partir del cual se radía el sonido. En cada una de las tres partes de los instrumentos existen fenómenos no lineales que contribuyen de manera importante a determinar el timbre particular de cada instrumento a distintos niveles dinámicos. En el excitador y en la salida de los instrumentos se trata principalmente de generación de inestabilidades hidrodinámicas, mientras que en el resonador de algunos instrumentos se produce un importante empinamiento no lineal que incluso puede dar lugar a la formación de ondas de choque. Utilizamos una variedad de técnicas experimentales, analíticas y numéricas para estudiar estos fenómenos, principalmente en instrumentos de aliento metal como la trompeta o el trombón. Analizamos también cómo los músicos utilizan, de manera a veces inconsciente, estos efectos para producir el tipo de sonido que desean.

Propiedades de transporte del solvente N-Dimethylformamide (C3H7NO)

Se calcula la constante dieléctrica y propiedades de transporte del solvente orgánico N-Dimethylformamide (C3H7NO) mediante simulaciones de dinámica molecular en un ensamble isotérmico-isobárico. El campo de fuerza OPLS-AA [1] es usado como base, al cual se le optimizan sus cargas parciales mediante la teoría de funcionales de la densidad, tal que se reproduzca la constante dieléctrica experimental en el rango de temperatura [298.15 – 353.15]K a 1atm, de presión. Además, se calcula la auto-difusión, la viscosidad de corte y la conductividad térmica [2]. El primer coeficiente se estima mediante la trayectoria libre media, y los otro dos se calculan a través del método de Müller-Plathe [3]. Al comparar con datos experimentales observamos un buen acuerdo. [1].- W.L. Jorgensen and C.J. Swenson, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 569–578; W.L. Jorgensen, D.S. Maxwell and J. Tirado-Rives, J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 11225–11236; G.A. Kaminski, R.A. Friesner, J. Tirado-Rives and W. L. Jorgens

Solución Numérica de un Sistema en Ecuaciones Diferenciales Parciales (EPDs) en Python para Modelar la Estabilidad Coloidal de Partículas de Dióxido de Titanio ($TiO_2$) en Agua ($H_2O$)

En este trabajo se presenta la solución de un modelo matemático en Ecuaciones Diferenciales Parciales (EDPs) empleando el lenguaje de programación Python, siguiendo una metodología de Diferencias Finitas. El modelo numérico propuesto permitirá calcular los perfiles de concentración de la distribución de partículas (sin interacción) de $TiO_2$ en agua para evaluar la estabilidad coloidal de nuestro sistema. Los procesos que dominan la dinámica del sistema son la Difusión y la Sedimentación, el primero provoca que las partículas se distribuyan de manera aleatoria pero homogénea y el segundo, hace que se precipiten en el fondo del recipiente. Cuando el flujo de difusión es igual al de sedimentación se logra el llamado equilibrio dinámico (estabilidad coloidal).

Flujo a través de un álabe tridimensional oscilante

En esta charla se presentará el flujo de un fluido newtoniano a través de un álabe tridimensional rígida que oscila con frecuencias determinadas. Especial atención se prestará a la estructura de la estela obtenida para diferentes frecuencias de oscilación, y a las fuerzas hidrodinámicas obtenidas en la estructura. El posible uso de álabes oscilantes para la generación de energía a partir de corrientes será discutido.

Análisis topológicos de datos de las estructuras lagrangianas de un flujo generado electromagnéticamente

Este trabajo presenta un análisis de datos topológicos de las estructuras Lagrangianas de un flujo generado electromagnéticamente. El modelo consta de las ecuaciones magnetohidrodinámicas para una aproximación de $Re_m$ bajos. La integración numérica de las ecuaciones de conservación se logra utilizando el método pseudoespectral de Fourier-Chebyshev. Las estructuras Lagrangianas se calculan utilizando el campo de velocidad Euleriano y sus características se representan en un mapa de Poincaré en el plano central horizontal. Se implementó el análisis de datos topológicos, una herramienta para evaluar la homología persistente de los puntos. Gracias a esto fue posible distinguir regiones que siguen un patrón definido.

Study of flow dynamics inside channels of microfluidic devices by CFD for hydrogel droplet generation

For the field of medicine, the prolonged and steady drugs release through a biodegradable encapsulation has growth a considerable interest. Among several innovative methods, hydrogels had attracted some interest due to the biocompatibility and moldability that it presents. A microfluidic device can generate hydrogel droplets helpful in drug encapsulation, transport and delivery. However, droplet generation process include several flow issues such as cavitation, flow resistance and heat transfer. To work on the generation of hydrogel droplets by using a microfluidic device, the roughness, geometry and microchannels designs are key. Microchannel roughness and geometry will directly influence the flow by generating losses in the pressure gradient and producing turbulent flows. The flows alteration due to the roughness and microchannel geometry might cause a misform in the shape of the generated droplet. In this work, a computational fluid dynamics (CFD) method will be used to analyze different flows in a set of microfluidic device geometries. A set of key characteristics such as velocity ranges for droplet generation, heat transfer efficiencies and pressure loss from the inlet and outlet will be analyzed. In addition, different section for the microfluidic device will be analyzed through SEM images in order to observe in a detailed way the roughness that those shows.

Impactos en la emisión de CO2 y en la calidad del aire a causa del confinamiento por el COVID-19

En esta ponencia se discutirán los efectos que ha tenido el confinamiento forzado por el COVID-19 en la calidad del aire en los grandes centros urbanos. En particular, se hará énfasis en las emisiones de CO2.

Evaluación numerica del rendimiento térmico de un concentrador solar parabólico compuesto operado con un nanofluido

En México el 67% del total de energía consumida por la industria es en forma de calor, lo que representa una gran área de oportunidad para generar este recurso mediante concentradores solares, disminuyendo así el uso de combustibles fósiles. Entre los concentradores solares destaca el parabólico compuesto como el concentrador de no imagen ideal por su capacidad de reflejar hacia el receptor toda la radiación solar disponible dentro del ángulo de aceptación y transmitirla al fluido de trabajo sin necesidad de tener seguimiento solar. Se ha demostrado también en colectores planos que la adición de algún tipo de nanopartículas con características térmicas adecuadas al fluido de trabajo constituye una forma efectiva de mejorar el rendimiento, sin embargo, el potencial de esta técnica en concentradores solares de no imagen ha sido investigado escasamente. En este trabajo se propone investigar numéricamente el efecto que tiene sobre el rendimiento térmico de un concentrador parabólico compuesto la presencia de nanoestructuras de carbono en el fluido de trabajo. Se cree que a través de esta modificación un concentrador de este tipo será capaz de proveer calor dentro de un intervalo de temperaturas útil para procesos industriales por más tiempo que con otros dispositivos solares térmicos.

Simulaciones moleculares de un fluido con interacciones tipo pozo parabólico

Para comprender la naturaleza de un líquido desde primeros principios es necesario tomar en cuenta sus propiedades macroscópicas en términos de su estructura, movimiento e interacciones mutuas de las moléculas que lo constituyen pero todavía estamos lejos de entender totalmente la conexión que existe entre los niveles macroscópicos y microscópicos. Esto se debe a la falta de conocimiento de las interacciones moleculares efectivas entre sus constituyentes. Con ayuda de la mecánica estadística podemos relacionar las fuerzas intermoleculares con la generalización de propiedades macroscópicas. Presentamos resultados de dinámica molecular para entender las propiedades macroscópica de fluidos que interactúan con potenciales discontinuos, en especial utilizaremos un modelo de interacción conocido como pozo parabólico. Presentamos los diagramas de fases en 3D y 2D para distintos alcances del potencial. Además mostramos resultados de la estructura que presentan estos fluidos a densidades altas.

Flujo electroosmótico de una solución electrolítica 1-1 confinada en un microcapilar con carga eléctrica uniforme

La electroforesis capilar es de gran importancia tecnológica para separar micropartículas en sus componentes, las micropartículas están suspendidas en una solución electrolítica y confinadas en un microcapilar, la suspensión de micropartículas esta sujeta al campo eléctrico debido a la carga superficial uniforme que tiene la cara interna del microcapilar, también actúan un campo eléctrico uniforme y un gradiente de presión constante a lo largo del eje del microcapilar. En este trabajo trabajo estudiamos únicamente la solución electrolítica bajo las condiciones mencionadas anteriormente, es decir, estudiamos el flujo electroosmótico a través del microcapilar. Calculamos los perfiles de velocidad de la solución electrolítica en dos enfoques, en el primero resolvemos en el interior del microcapilar la ecuación de Poisson y de Navier- Stokes, mientras que, en el segundo enfoque consideramos la aproximación de capa delgada resolviendo la ecuación de Laplace y de Navier-Stokes, el primer enfoque lo realizamos resolviendo las ecuaciones por medio del software Mathematica y el segundo enfoque lo resolvemos usando el software COMSOL. Presentamos los resultados de ambos enfoque por medio de una análisis comparativo. Este estudio es previo al estudio donde queremos incorporar micropartículas suspendidas en una solución electrolítica.

Formación de simetrías topológicas en cristales líquidos quirales confinados en canales de espesor variable

En el presente trabajo se estudian las propiedades estructurales en cristales líquidos altamente quirales confinados en canales de espesor variable. Se realizaron simulaciones continuas basadas en la teoría de Landau-de Gennes de cristales líquidos en fase colestérica, fase azul I (BP I) y fase azul II (BP II) partiendo de diferentes condiciones iniciales. Los cristales líquidos al ser confinados presentan diferentes estructuras en los defectos topológicos formados, también se pueden observar distintas simetrías en el campo director de cada fase. Los espesores en los canales simulados fueron Z=9ζ,18ζ,26ζ,35ζ,43ζ,52ζ donde ζ es la longitud de coherencia ≈ 10 nm. Las superficies de los canales presentan dos tipos de anclaje. El anclaje homeotrópico (H) perpendicular a la superficie y el anclaje planar (P) paralelo a ésta. Se estudian los casos de confinamiento Homeotrópico-Homeotrópico (H-H), Planar-Planar (P-P) y Homeotrópico-Planar (H-P). Las dimensiones del canal dependen de la orientación cristalográfica. La BP I usó las orientaciones [200] y [110] mientras que la BP II usó las orientaciones [100] y [111]. Se encontraron fases estables y metaestables.

Solución Numérica de las ecuaciones de Navier Stokes en 2D: Vorticidad

En este trabajo, realizamos la solución numérica a la ecuación de Navier-Stokes en 2D, para el estudio del comportamiento de fluidos a través del tiempo utilizando el campo de vorticidad. El método pseudo-spectral utilizado, es uno de los más exactos para resolver estas ecuaciones, y se basa en la expansión de la serie de Fourier por lo que las condiciones de contorno son periódicas para el algoritmo de la serie de Fourier se utilizó FFT (Fast Fourier Transform) ya que el algoritmo tradicional tiene un costo computacional de $O(N^4)$ y FFT $O(N^2 log⁡(N^2 )$, reduciendo el costo computacional. Se logró realizar una simulación del campo de vorticidad y su evolución a través del tiempo. Teniendo un campo de vorticidad inicial, las propiedades del fluido son constantes, y se logró ver el decaimiento de la magnitud del campo con un campo inicial de vórtices distribuidos de manera homogénea y no homogénea e igual con un campo inicial aleatorio, se logró mantener estable el vórtice de Taylor-Green como lo indica la solución analítica, y obtuvimos un resultado esperado con las condiciones de doble shear layer.

Dipoloforesis de micropartículas esféricas metálicas

Estudiamos teóricamente y numéricamente el comportamiento electrocinético de microesferas metálicas inmersas en una solución electrolítica acuosa. Las microparticulas esféricas están sujetas a campos electricos ac no homogeneos y describimos su movimiento originado por las fuerzas eléctricas y el flujo electroosmotico sobre la superficie de la microparticula. El movimiento neto es conocido como dipoloforesis.

Determinación de las propiedades reológicas de la lecha entera y deslactosada por medio de la técnica pulso – eco

Para conocer las propiedades de los materiales es importante caracterizarlos por diferentes medios y/o fuentes de estimulación, de donde se pueden conocer sus propiedades físicas como acústicas, eléctricas, magnéticas, mecánicas, ópticas, etc. Aún mejor si la técnica o metodología de caracterización es de forma no-invasiva. Este es el caso de la caracterización las ondas acústicas en el espectro del ultrasonido de baja intensidad. Donde comúnmente se utilizan las técnicas de transmisión y pulso – eco (reflexión). En el cual se pueden obtener diversos parámetros importantes del material en cuestión. En este trabajo se determinan los parámetros reológicos de la leche entera y deslactosada de la marca LALA$^®$ de forma indirecta. Se utilizó un ecoscópio de un tomógrafo acústico para medir la velocidad de fase acústica por el método de pulso – eco. Se determinó la densidad volumétrica de la leche de ambos tipos. Los resultados describen una velocidad de fase acústica de leche entera y deslactosada de V$_E$ ≈ 1492.13 m/s y V$_D$ ≈ 1496.26 m/s, respectivamente. La densidad de la leche entera y deslactosada fue ρ$_E$ = 807.86 gr/l, ρ$_D$ = 835.96gr/l, a 20.1$^o$C, respectivamente. De manera indirecta se determinó la impedancia acústica y las propiedades reológicas de ambos tipos de leche. Cabe mencionar la importancia de caracterizar los materiales para conocer sus propiedades intrínsecas. Cabe mencionar de que existe el interés de explorar las lecherías de la región.

Los efectos de la fuerza de Bjerknes aplicada en la ultrasonicación de la leche entera

La leche contiene propiedades nutricionales muy importantes para el desarrollo del ser humano, especialmente para la comunidad infantil. En los últimos años la ciencia de los alimentos se ha enfocado en aplicar herramientas llamadas “tecnologías verdes”, para el tratamiento y conservación de la leche y sus derivados. Este es el caso del ultrasonido de alta intensidad (UAI) que genera el fenómeno de cavitación acústica el cual consiste en la formación, crecimiento e implosión de microburbujas inmersas en fluidos realizadas en el espectro del ultrasonido, el cual uno de sus objetivos es homogenizar. Sin embargo, no se ha aclarado cómo se logra esto. Por tal motivo, en este trabajo se presenta un estudio sobre la cavitación acústica generado por un ultrasonicador tipo sonda de 1cm de diámetro y 106W/cm$^2$@24kHz aplicado a leche entera de la marca Lala$^®$. Se presentan las ecuaciones que describen la fenomenología de la fuerza de Bjerknes (primera y segunda) en un campo acústico representado por la leche. Los resultados se obtuvieron mediante el programa Mathematica$^®$ y muestran a la fuerza de radiación acústica generada dentro del fluido como medio de propagación. Se describe el campo acústico generado con un perfil piramidal hecho en los limites inferiores por la sonda ultrasónica. Los glóbulos de grasa de la leche disminuyeron por el efecto de las ondas de esfuerzo de corte y promovieron la ultrasonoporación en la leche. Se comprende los beneficios que se pueden realizar aplicando el UAI en los productos lácteos. Se tiene planeado continuar explorando esta técnica en algunos de los derivados de la leche.

Análisis de la variabilidad de la simetría de las ecuaciones de Navier-Stokes

El presente trabajo hace un análisis profundo de las ecuaciones de Navier-Stokes como un sistema estocástico-tensorial, para conocer las condiciones físicas en las cuales el sistema presenta simetría en cualquiera de sus ejes. La resolución se hace a través de métodos numéricos considerando una parametrización de las ecuaciones diferenciales según el tipo de forma que tiene. También como una generalización se considera que la viscosidad dinámica y la densidad del fluido están relacionadas y son dependientes del tiempo. Para llegar a dicha parametrización se analiza a través de un sistema de variaciones pequeñas o bien como un sistema virtual, dejando fuera cambios bruscos como explosiones, estallidos o sonoluminiscencia. Aunque formalmente no hay condiciones de frontera para la generalización aquí mostrada, se puede considerar que el primer valor de velocidad de onda de la perturbación se aproxima a la velocidad del sonido en el estado de equilibrio. Todo el sistema fue analizado con propiedades adimensionales, considerando que la viscosidad del aire es la unidad y se probaron con múltiplos de este. En los resultados podemos ver que, considerando parámetros como la viscosidad y la gravedad, la posibilidad de la simetría depende de como cambian estos. La simetría completa, es decir, en sus tres ejes, se logra bajo condiciones muy específicas donde la dispersión del pulso acústico es grande y la interacción de las partículas del fluido entre ellas es relativamente baja.

Estudio de la morfología del satélite Mimas mediante materia granular

Estudiamos la colisión de dos conglomerados esféricos de materia granular y determinamos el cociente de fractura $\frac{D_{1}}{D_{2}}$ de dos conglomerados de distintos diámetros para que el mayor sea fracturado por el menor. Este experimento está inspirado en las observaciones del cráter gigante Herschel en Mimas, una de las lunas de Saturno, ya que es sorprendente para la comunidad astronómica que el impacto que lo creó no haya pulverizado al satélite. Su diámetro es prácticamente $\frac{1}{3}$ del diámetro de Mimas y este cráter de impacto es el mayor que existe en relación con el tamaño del cuerpo que lo contiene. Por tal motivo, es interesante determinar cuáles son las condiciones extremas en las cuales Mimas se hubiese fragmentado tras el impacto y, en general, en qué condiciones dos conglomerados granulares que impactan se fragmentan.

Estudio numérico-experimental de la tensión interfacial de una gota confinada

La medición de la tensión interfacial entre dos líquidos presenta una serie de dificultades experimentales. La principal de ellas, es la forma de la gota . En el caso de la retracción, generalmente difiere de un esferoide, por tanto, la determinación correcta y completa de su forma requiere su visualización desde varios planos. La representación más simple requiere conocer los tres ejes principales de un elipsoide, que resulta imposible experimentalmente. Así, para el cálculo de la tensión interfacial resulta muy ventajoso conocer las formas correctas, aun cuando éstas se conozcan de modelos numéricos. Se estudió el fenómeno físico de retracción de una gota con el método de campo de fase, el cual describe el sistema en cualquier instante de tiempo por medio de un parámetro de orden $\phi$, la energía libre de $F(\phi)$ y un potencial $\mu(\phi)$. Las ecuaciones de Cahn-Hilliard convectiva y de Navier-Stokes modificada son usadas y se conocen en la literatura como modelo H. Teniendo en cuenta que la propiedad física relevante es la tensión interfacial, se usó un método dinámico de retracción de gota (DDRM), para calcularla. Los resultados obtenidos de las simulaciones de la retracción de una gota confinada por dos superficies rígidas paralelas, están orientados a la evolución de la forma de la gota al variar el número de Weber, el número de Péclet y la relación de confinamiento ($Co=2r/H$). Los cálculos de la tensión interfacial por el DDRM coinciden con unos resultados experimentales realizados recientemente en el laboratorio, pero aún no son determinantes para concluir una validación completa del método numérico. Además, se logra identificar una oscilación y rotación en las simulaciones de la gota que experimentalmente es muy complicado observarlas. El código generado se ha probado en 2D y 3D. Actualmente se trabaja en el fenómeno físico cuando son varias gotas confinadas y entender el efecto superficial acumulado sobre todo sistema.

Enfoques de pérdida de momento y energía para el modelado de chorros bifásicos atomizados

Comparamos dos enfoques diferentes a base de primeros principios para predecir la dinámica macroscópica de un chorro bifásico, circular, atomizado y turbulento en estado estacionario. Se basó dicho análisis en leyes de conservación, derivando ecuaciones algebraicas explícitas para la dinámica unidimensional de un chorro, pudiendo predecir la velocidad axial, la densidad compuesta (relacionado con la fracción líquida) y la presión dinámica. Una ventaja clave de esta familia de modelos es que solo requieren de uno o máximo tres parámetros libres, todos vinculados a cantidades mensurables experimentalmente. El caso del "momentum ideal" y los modelos de "energía con pérdida" se presentaron anteriormente (Franco-Medrano et al.2017, J. Phys. Soc. Jpn. 86, 034401). Estos modelos no solo son predictivos para una amplia gama de chorros estacionarios turbulentos, tanto monofásicos como bifásicos, sino que también permiten una derivación teórica que anteriormente solo se presentaba de manera empírica o fenomenológica. En este trabajo presentamos el modelo de "momentum con pérdida" y lo comparamos con modelos anteriores, así como con datos experimentales disponibles, encontrando buena concordancia con la teoría.

Modelo analítico de la dinámica y arrastre de un chorro líquido atomizado turbulento con geometría no circular

Consideramos una generalización del modelo matemático de un chorro de momento ideal para geometrías de boquillas no circulares para un chorro de líquido turbulento atomizado a presión el cual penetra en un gas ambiente. En particular, se consideraron boquillas cuadradas, rectangulares y elípticas. Los resultados comparan datos teóricos y experimentales. Tomando las condiciones iniciales de presión dentro de la boquilla, dimensiones de la boquilla y densidades de fluidos como parámetros experimentales, se calcularon expresiones analíticas a partir de primeros principios para la velocidad, densidad compuesta y presión dinámica del flujo bifásico localmente homogéneo, en función de la distancia axial de la boquilla. Se encontró que, al considerar la sección transversal de una boquilla elíptica, se obtiene una generalización de las ecuaciones que describen el flujo de una boquilla circular. También se encontró que esto era cierto en el caso de una sección transversal de boquilla rectangular. Se obtuvo una fuerte correlación entre la función del modelo derivada para la velocidad de un chorro proveniente de una boquilla elíptica y datos experimentales, utilizando solo los parámetros obtenidos de los experimentos mismos sin otros parámetros libres.