En el presente trabajo se ha realizado el diseño hidráulico de un sistema gravimétrico para transportar 202 m3/h de relave minero desde la planta procesadora de minerales hasta la presa de relaves, aprovechando un desnivel de 226 m. El diseño hidráulico ha sido conceptualizado como recepción, acondicionamiento, transporte y evacuación. La recepción y acondicionamiento del relave se logra con el sistema de recepción, el transporte se realiza a tubería llena presurizada y finalmente se evacúa el relave hacia el sistema de descarga a la presa de relaves con una presión requerida. El relave se ha caracterizado como una pulpa homogénea de 1.5 de densidad específica, 52.5% de concentración en peso y 29% de concentración en volumen, cuyo comportamiento viscoso es de tipo Bingham. Esta pulpa tiene partículas en suspensión de 27 μm en promedio, cuya densidad específica de sólido seco es de 2.7. Respecto al transporte, la línea se ha dividido en dos tramos de tubería con diferente diámetro. El primero comprende los primeros 190 m, con un diámetro nominal de 8 in y 1.9 m/s de velocidad media, mientras que el segundo, va hasta 970 m, con 6 in de diámetro nominal y 3.5 m/s de velocidad media. Al tratarse de un fluido con partículas suspendidas, es importante analizar la velocidad crítica de deposición, es decir, la velocidad a la cual las partículas empiezan a depositarse. Esta ha sido determinada mediante el modelo de Turian y Oroskar, dando como resultado 1.14 m/s y 0.95 m/s en el primer y segundo tramo respectivamente. Con respecto a la caída de presión, se ha usado el modelo de Darby para fluidos Bingham, dando como resultado 976.6 kPa (66.3 m.c.p.), lo cual equivale a 29% del desnivel disponible (226 m.c.p.). Como parte del diseño, se ha considerado la presencia de una estación de choque, la cual disipa la presión cerca del final de la línea y permite que se entre el relave al sistema de descarga a 55 PSIg.

La aplicación de nuevas tecnologías en el ámbito de la conservación de alimentos pretende dar respuesta al incremento de la demanda, por parte de los consumidores, de alimentos más parecidos a los frescos o naturales, más nutritivos y de fácil y rápida preparación (ready-to-eat meals). Las tecnologías más estudiadas en la actualidad se basan en el empleo de sistemas de destrucción o inactivación bacteriana sin necesidad de emplear un tratamiento térmico intenso. Se pretende así reducir los cambios perjudiciales en las propiedades físicas, químicas, nutricionales y sensoriales de los alimentos, pero manteniendo la vida útil. El objetivo general de este trabajo ha sido el estudio del impacto de la aplicación de nuevas tecnologías de conservación, como los Campos Eléctricos Pulsados (PEF) y las Altas Presiones de Homogeneización (HPH), sobre la estructura y los principales componentes químicos de alimentos fluidos (huevo líquido y salsas). Para ello, se ha estudiado la microestructura y se ha realizado el análisis químico de la fracción proteica y lipídica de estos alimentos. Además, se han estudiado diferentes propiedades físicas del huevo líquido tratado por PEF que determinan su calidad, como son la viscosidad, el color, y la capacidad espumante. Los experimentos se han realizado con muestras procesadas por PEF en el SIK (the Swedish Institute for Food and Biotechnology) y por HPH en la Università di Bologna, y se han llevado a cabo también después de una semana de almacenamiento refrigerado a 4ºC. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que los tratamientos por PEF y HPH pueden ser una buena alternativa al tratamiento térmico convencional para la conservación de huevo líquido, por su menor impacto en la microestructura y en las propiedades químicas cuando se aplican a baja intensidad, si se compara con la pasteurización. Además, el tratamiento por PEF afecta mínimamente a las propiedades funcionales del huevo líquido. / Marco Molés, R. (2012). IMPACTO DE NUEVAS TECNOLOGÍAS DE CONSERVACIÓN SOBRE LA ESTRUCTURA Y LOS PRINCIPALES COMPONENTES QUÍMICOS DE ALIMENTOS FLUIDOS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14637

Tesis por compendio / Analyses of possible synergies between energy recovery and water management are essential for achieving sustainable improvements in the performance of pressurized irrigation networks. Improving the energy efficiency of water systems by hydraulic energy recovery is becoming an inevitable trend for energy conservation, emissions reduction, and increases in profit margins. This Ph.D. research is focused on the proposal and development of an optimization methodology that improves energy efficiency in pressurized irrigation networks. To develop this methodology, the main objective of this Ph.D. thesis, the research is supported by secondary objectives. The first secondary objective overviews the state-of-the-art for different hydropower systems, paying attention to those systems in which residual energy can be considered for energy improvement. Furthermore, the need to analyze this energy improvement in pressurized irrigation networks is justified through enumerating the main advantages and disadvantages of these energy recoveries. This first objective establishes the contextualization stage of the thesis. The second part of this Ph.D. research, which develops the rest of the objectives, is called the procedural stage. This phase contains the analytical and experimental development of this research. The analytical phase develops the main steps of the optimization strategy. Each step comprises one methodology or method that is focused on the following objectives: ¿ To propose a methodology to determine the circulating flow over time in pressurized irrigation networks in any line depending on the agronomist intrinsic parameters of the established crops ¿ To develop a calibration strategy for the flow assignment in lines, which indicates the success of the proposed methodology ¿ To establish the energy balance as well as the involved energy terms to quantify the theoretical recoverable energy in pressurized water networks, particularly in irrigation networks ¿ To present a new methodology to maximize the recovered energy considering the actual feasibility to allocate pumps working as turbines (PATs) within pressurized water networks by using simulated annealing as a water management tool. The analytical phase is complemented with an intensive experimental campaign in two different PATs (radial and axial) in steady and unsteady flow conditions. The campaign regarding steady flow conditions enables the study of the efficiency variations in the machine as a function of the flow and rotational speed. The experimental analysis as well as the modification of the classical affinity laws allows one to determine the best efficiency line (BEL) and the best efficiency head (BEH) based on Suter parameters. Both lines enable modelers to establish the optimal rotational speed as a function of the flow during each instant to maximize the recovered energy. These new lines (BEL and BEH) should be incorporated within the optimization strategy, developing a procedure to recover energy as a function of the number of installed machines. Finally, to complement the developed analysis for the installation of the recovery systems in pressurized water systems, the unsteady flow in these facilities is also analyzed. / El desarrollo de los análisis de las posibles sinergias entre los sistemas de recuperación de energía y la gestión del agua es esencial, para poder lograr mejoras en la eficiencia energética de las redes de riego presurizadas a través de medidas sostenibles. La mejora de la eficiencia energética, mediante la recuperación de la energía hidráulica, se está convirtiendo en una tendencia inevitable para la conservación de la energía, la reducción de las emisiones de gases efecto invernadero y el aumento de los márgenes de beneficio en los sistemas de distribución de agua presurizados. Esta tesis doctoral está centrada en la propuesta y desarrollo de una metodología de optimización, la cual, mejore la eficiencia energética en redes de riego presurizadas. Para desarrollar esta metodología, objetivo principal de esta tesis, la investigación está basada en diferentes objetivos secundarios. El primer objetivo secundario, estudia el estado del arte en los diferentes sistemas hidroeléctricos, prestando atención a aquellos sistemas en los que, la energía residual puede ser tenida en cuenta para mejorar la eficiencia energética. La necesidad de analizar esta mejora energética en las redes de riego presurizadas, se justifica mediante la enumeración de las principales ventajas y desventajas de estos sistemas de recuperación tienen sobre los sistemas de distribución. Este primer objetivo, establece la etapa de contextualización de la tesis. La segunda parte de la tesis, denominada fase procedimental o de procedimiento, desarrolla el resto de los objetivos y contiene, el desarrollo analítico y experimental de esta investigación. La fase analítica desarrolla los principales bloques que forman la estrategia de optimización. Estos bloques de contenido están constituidos, cada uno de ellos, por una metodología desarrollada o método aplicado, cubriendo los siguientes objetivos: ¿ Proponer una metodología que determine el caudal circulante a lo largo del tiempo, en cualquier línea, en función de los parámetros intrínsecos agronómicos. ¿ Desarrollar una estrategia de calibración para la asignación de caudales en líneas, que demuestre la bondad de la metodología propuesta. ¿ Establecer el balance energético, así como los términos energéticos involucrados, para cuantificar la energía recuperable teórica en redes presurizadas, particularmente en redes de riego. ¿ Presentar una nueva metodología de maximización de energía recuperada donde la viabilidad de asignar bombas trabajando como turbinas (PATs) dentro de redes de distribución sea considerada, mediante el uso de la herramienta 'simulated annealing' en la gestión del agua. La fase analítica se complementa con el desarrollo de una campaña experimental en dos PATs diferentes (una de tipo radial y otra de tipo axial). Ambas máquinas han sido ensayadas en condiciones de flujo permanente y transitorio. El análisis experimental en condiciones de flujo permanente ha permitido estudiar la variación de la eficiencia de la máquina en función del caudal y de la velocidad de rotación de la misma. Este análisis experimental, así como la modificación de las leyes clásicas de semejanza, han hecho posible la definición de la mejor línea de eficiencia (best efficiency line (BEL)) y la mejor eficiencia de altura recuperada (best efficiency head (BEH)). Ambas líneas están basadas en los parámetros de Suter, y permiten a los modeladores el establecimiento de la velocidad de giro óptima en función del caudal circulante en cada instante, maximizando la energía recuperada. Estas nuevas líneas (BEL y BEH) deben incorporarse a la estrategia de optimización, teniéndolas en cuenta a lo largo del proceso para recuperar energía en función del número de máquinas instaladas en el sistema. Finalmente, para complementar el análisis desarrollado de la instalación de sistemas de recuperación energética en redes de distribución, se ha anali / El desenvolupament de les anàlisis de les possibles sinergies entre els sistemes de recuperació d'energia i la gestió de l'aigua són essencials per a aconseguir millores en l'eficiència energètica de les xarxes de reg pressuritzades a través de mesures sostenibles. La millora de l'eficiència energètica, mitjançant la recuperació de l'energia hidràulica, s'està convertint en una tendència inevitable per a la conservació de l'energia, la reducció de les emissions de gasos efecte hivernacle i l'augment dels marges de benefici en els sistemes de distribució d'aigua pressuritzada. Aquesta tesi doctoral està centrada en la proposta i desenvolupament d'una metodologia d'optimització, la qual millore l'eficiència energètica en xarxes de reg pressuritzades. Per a desenvolupar aquesta metodologia, objectiu principal d'aquesta tesi, la recerca ha estat basada en diferents objectius secundaris. El primer objectiu secundari estudia l'estat de l'art en els diferents sistemes hidroelèctrics, centrant-se en aquells sistemes en els quals l'energia residual pot ser tinguda en compte per a millorar l'eficiència energètica. La necessitat d'analitzar aquesta millora energètica en les xarxes de reg pressuritzades es justifica mitjançant l'enumeració dels principals avantatges i desavantatges que aquests sistemes de recuperació tenen sobre els sistemes de distribució. Aquest primer objectiu estableix l'etapa de contextualització de la tesi. La segona part de la tesi, denominada fase procedimental o de procediment, desenvolupa la resta dels objectius i conté(, )el desenvolupament analític i experimental d'aquesta recerca. La fase analítica desenvolupa els principals blocs que formen l'estratègia d'optimització. Aquests blocs de contingut estan constituïts cadascun d'ells per una metodologia desenvolupada o mètode aplicat, els quals cobreixen els següents objectius: ¿ Proposar una metodologia que determine el cabal circulant al llarg del temps, en qualsevol línia, en funció dels paràmetres intrínsecs agronòmics. ¿ Desenvolupar una estratègia de calibratge per a l'assignació de cabals en línies, que demostre la bondat de la metodologia proposada. ¿ Establir el balanç energètic, així com els termes energètics involucrats, per a quantificar l'energia recuperable teòrica en xarxes pressuritzades, particularment en xarxes de reg. ¿ Presentar una nova metodologia de maximització d'energia recuperada, on la viabilitat d'assignar bombes treballant com a turbines (PATs) dins de xarxes de distribució siga considerada, mitjançant l'ús de l'eina "simulated annealing" en la gestió de l'aigua. La fase analítica es complementa amb el desenvolupament d'una campanya experimental en dues PATs diferents (una de tipus radial i una altra de tipus axial), les quals han sigut assajades en condicions de flux permanent i transitori. L'anàlisi experimental, en condicions de flux permanent, ha permès estudiar la variació de l'eficiència de la màquina en funció del cabal i de la velocitat de rotació de la mateixa. Aquesta anàlisi experimental, així com la modificació de les lleis clàssiques de semblança, han fet possible la definició de la millor línia d'eficiència (best efficiency line (BEL)) i la millor eficiència d'altura recuperada (best efficiency head (BEH)). Ambdues línies estan basades en els paràmetres de Suter i permeten als modeladors l'establiment de la velocitat de gir òptima, en funció del cabal circulant en cada instant, maximitzant l'energia recuperada. Aquestes noves línies (BEL i BEH) han d'incorporar-se a l'estratègia d'optimització, tenint-les en compte al llarg del procés per a recuperar energia en funció del nombre de màquines instal·lades en el sistema. Finalment, per a complementar l'anàlisi desenvolupada de la instal·lació de sistemes de recuperació energètica en xarxes de distribució, s'ha analitzat el règim transitori en aquests sistemes quan es produeix / Pérez Sánchez, M. (2017). METHODOLOGY FOR ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENT ANALYSIS IN PRESSURIZED IRRIGATION NETWORKS. PRACTICAL APPLICATION [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84012 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Tesis por compendio / The mixing processes are present in the hydraulics engineering field as well as in the environmental field, and they appear in many different situations that are of great interest for humankind. The mechanisms that rule these processes can be very diverse and complex, these being able to interact with each other. However, when a fluid has a turbulent behavior, it is highly unstable and three-dimensional, modifying greatly the other mixing processes. In these cases, the resolution for the fluid mechanics with classical methods can be extremely difficult, making the use of approximations and models necessary. On the other hand, in the last few years, numerical simulation techniques have advanced a lot, and with the velocity increase and the computational capacity, Computational Fluids Dynamics (CFD) allows the development of simulations of these complex processes. This doctoral thesis is motivated by the importance of analyzing the physics of the turbulent flow by numerical methods in different mixing processes of interest in the field of hydraulics engineering and the environmental fluid mechanics. It is intended to illustrate the utility and potentiality of the CFD through the application and analysis in four specific steps, grouped together in two groups of mixing processes: the ones influenced by a turbulent jet in a water tank, and the ones influenced by the turbulent structures due to the curved geometry of the meander channels. The four studied cases are: i) mixing processes in drinking water storage tanks, ii) inlet influence in the thermal stratification in hot water storage tanks, iii) turbulent flow and mixing in a meandering channel, and iv) turbulent flow and mixing in compound meandering channels. The developed work is focused in a practical context. To that effect, test simulations on each studied case have been developed. The experimental data is useful for validating the models and, overall, to thoroughly study the problem. Two CFD techniques are used to solve the Navier-Stokes equations, together with turbulence models, dispersion and/or heat transference, depending on the case. For the jet mixing cases, the chosen technique was the URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes). In the meander cases the LES (Large Eddy Simulation) technique was required. The first work shows a procedure for the study of the fluid dynamic in the mixing processes in potable water tanks. The procedure can be applied in the design and improvement of these elements by using the URANS technique together with experimental methods. In the second case, the URANS simulations in the hot water tank could determine the distribution of the temperature in the whole computational domain. Besides, the model, validated with a high level of adjustment, was developed for the study of the influence of some inlet configurations and to improve the degree of stratification. With respect to the third study, the suitability of the LES technique has been proved in the thorough study of the flow and the turbulence in meanders, even by using relatively coarse grids. The great influence of the secondary flows (due to the curved shape of the channel) on the mixing process has been clarified. Finally, the LES technique was very effective upon adding information about the flow and the turbulence in meanders with different flooding levels. A very good consistency with the experimental data was obtained, despite the use of relatively coarse grids. The mixing process between the flooding flow and the meander has been observed with more clarity. / Los procesos de mezcla están presentes tanto en el campo de la ingeniería hidráulica como en el del medio ambiente y aparecen en infinidad de situaciones que son de gran interés para el ser humano. Los mecanismos que gobiernan estos procesos pueden ser muy diversos y complejos, pudiendo interaccionar entre sí. Sin embargo, cuando un fluido tiene un comportamiento turbulento, éste es altamente inestable y tridimensional, modificando en gran medida los otros mecanismos de mezcla. En estos casos, la resolución con métodos clásicos de la mecánica de fluidos puede llegar a ser extremadamente difícil, siendo necesario utilizar aproximaciones o modelos. Por otro lado, en los últimos años, se ha avanzado mucho en las técnicas de simulación numérica, y junto con el aumento de la velocidad y capacidad computacional, la Dinámica de Fluidos Computacional (en inglés Computational Fluid Dynamics, CFD) permite desarrollar simulaciones de estos complejos procesos. Esta Tesis Doctoral está motivada por la importancia de analizar mediante métodos numéricos la física del flujo turbulento en diferentes procesos de mezcla de interés en el campo de la ingeniería hidráulica y la mecánica de fluidos medioambiental. Se pretende ilustrar la utilidad y potencialidad de la CFD a través de la aplicación y análisis a cuatro casos concretos, agrupados en dos grupos de procesos de mezcla: los dominados por un chorro turbulento de entrada en un tanque de agua y los dominados por las estructuras turbulentas debidas a la propia geometría curva de los canales meándricos. Los cuatro casos de estudio son: i) procesos de mezcla en tanques de agua potable, ii) influencia del chorro de entrada en la estratificación térmica en tanques de agua caliente, iii) flujo turbulento y mezcla en canales con meandros, y iv) flujo turbulento y mezcla en canales con meandros inundables. El trabajo desarrollado está centrado en un contexto práctico donde, a partir de casos concretos, se buscan los métodos y modelos más adecuados en cada uno de ellos. A tal efecto, se han desarrollado simulaciones de ensayos llevados a cabo en cada uno de los casos de estudio. Aunque los datos experimentales empleados fueron generados por diferentes equipos de investigación, en todo momento existió una estrecha relación y colaboración con todos los grupos. Dichos datos experimentales sirvieron para validar los modelos y, en conjunto, para estudiar en profundidad el problema. El trabajo en el que se analiza el primero de los cuatro casos muestra un procedimiento para el estudio de dinámica de fluidos de los procesos de mezcla en tanques de agua potable. El procedimiento puede aplicarse en el diseño y mejora de de estos elementos mediante la técnica URANS junto con métodos experimentales. En el segundo caso, las simulaciones URANS en el tanque de agua caliente permitieron determinar la distribución de temperatura en todo el dominio computacional. Además, el modelo, validado con un alto nivel de ajuste, fue desarrollado para el estudio de la influencia de algunas configuraciones de entrada y mejorar el grado de estratificación inicial. Con el tercer caso de estudio, se ha mostrado la idoneidad de la técnica LES en el estudio en profundidad del flujo y la turbulencia en meandros, incluso habiendo empleado mallas relativamente gruesas. La mayor influencia de los flujos secundarios (resultado de la forma curva del canal) sobre el proceso de mezcla ha podido ser clarificada. Por último, la técnica LES resultó ser muy eficaz a la hora de ampliar la información disponible sobre el flujo y la turbulencia en meandros con diferentes planos de inundación. Se obtuvo una muy buena concordancia con los datos experimentales, pese al uso de mallas relativamente gruesas. El proceso de mezcla entre el flujo de la inundación y el del meandro ha podido ser observado con mayor claridad. / Els processos de mescla estan presents tant en el camp de l'enginyeria hidràulica com en el del medi ambient i apareixen en infinitat de situacions que són de gran interès per a l'ésser humà. Els mecanismes que governen aquests processos poden ser molt diversos i complexos, podent interaccionar entre si. No obstant això, quan un fluid té un comportament turbulent, aquest és altament inestable i tridimensional, modificant en gran mesura els altres mecanismes de mescla. En aquests casos, la resolució amb mètodes clàssics de la mecànica de fluids pot arribar a ser extremadament difícil, sent necessari utilitzar aproximacions o models. D'altra banda, en els últims anys, s'ha avançat molt en les tècniques de simulació numèrica, i juntament amb l'augment de la velocitat i capacitat computacional, la Dinàmica de Fluids Computacional (en Anglès Computational Fluids Dynamics, CFD) permet desenvolupar simulacions d'aquests complexos processos. Aquesta Tesi Doctoral està motivada per la importància d'analitzar mitjançant mètodes numèrics la física del flux turbulent en diferents processos de mescla d'interès en el camp de l'enginyeria hidràulica i la mecànica de fluids mediambiental. Es pretén il¿lustrar la utilitat i potencialitat de la CFD a través de l'aplicació i anàlisi a quatre casos concrets, agrupats en dos grups de processos de mescla: els dominats per un doll turbulent d'entrada en un tanc d'aigua i els dominats per les estructures turbulentes degudes a la pròpia geometria corba dels canals meàndrics. Els quatre casos d'estudi són: i) processos de mescla en tancs d'aigua potable, ii) influència del doll d'entrada en l'estratificació tèrmica en tancs d'aigua calenta, iii) flux turbulent i mescla en canals amb meandres, i iv) flux turbulent i mescla en canals amb meandres inundables. El treball desenvolupat està centrat en un context pràctic on, a partir de casos concrets, es busquen els mètodes i models més adequats en cadascun d'ells. A aquest efecte, s'han desenvolupat simulacions d'experiments duts a terme en cadascun dels casos d'estudi. Tot i que les dades experimentals emprats van ser generats per diferents equips d'investigació, en tot moment va existir una estreta relació i col¿laboració amb tots els grups. Aquests dades experimentals varen servir per validar els models i, en conjunt, per estudiar en profunditat el problema. El treball en el qual s'analitza el primer dels quatre casos mostra un procediment per a l'estudi de dinàmica de fluids dels processos de mescla en tancs d'aigua potable. El procediment pot aplicar-se en el disseny i millora d'aquests elements mitjançant la tècnica URANS juntament amb mètodes experimentals. En el segon cas, les simulacions URANS en el tanc d'aigua calenta van permetre determinar la distribució de temperatura en tot el domini computacional. A més, el model, validat amb un alt nivell d'ajust, va ser desenvolupat per a l'estudi de la influència d'algunes configuracions d'entrada i millorar el grau d'estratificació inicial. En el tercer cas d'estudi, s'ha mostrat la idoneïtat de la tècnica LES en l'estudi en profunditat del flux i la turbulència en meandres, fins i tot havent emprat malles relativament gruixudes. La major influència dels fluxos secundaris (resultat de la forma corba del canal) sobre el procés de mescla ha pogut ser aclarida. Per últim, la tècnica LES va resultar ser molt eficaç a l'hora d'ampliar la informació disponible sobre el flux i la turbulència en meandres amb diferents plànols d'inundació. Es va obtenir una molt bona concordança amb les dades experimentals, malgrat l'ús de malles relativament gruixudes. El procés de mescla entre el flux de la inundació i el del meandre ha pogut ser observat amb major claredat. / Moncho Esteve, IJ. (2017). Procesos de Mezcla en Flujos Turbulentos con Técnicas de la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90573 / Compendio

La optimización de los sistemas de bombeo se suele realizar a través de las curvas características de la red (asociadas con las curvas resistentes). Estas curvas están sujetas a la resistencia generada por el usuario en función de las necesidades de caudal y presión en cada punto de consumo. Dicha resistencia es muy variable y difícil de determinar lo que hace que el cálculo de las curvas sea poco práctico. El problema radica en que al no definirse adecuadamente las curvas resistentes, no se conocen las necesidades reales de caudal y presión de la red. Por lo tanto no se puede estimar el exceso de energía aportado por las bombas ni el aumento de costos de operación que esto representa. Sin embargo, existe otro tipo de curva denominada curva de consigna (CC). Dicha curva ha sido poco estudiada hasta ahora y su cálculo es relativamente fácil. De ahí que el presente trabajo tiene como objetivo la optimización de la energía y de los costes de bombeo mediante el uso de la CC. Para cumplir con el objetivo, primero se estudia el cálculo de la CC en redes de agua con múltiples estaciones de bombeo, consumos no dependientes y dependientes de la presión, y sin tanques de almacenamiento. Posteriormente, se lleva a cabo la optimización sólo desde la perspectiva energética (caudal y altura de bombeo). Para ello se realiza la búsqueda de la distribución de caudales óptima entre las estaciones de bombeo que conlleve a las CC óptimas. Se proponen dos métodos: uno discreto (M-D) y otro continuo (M-C). El M-D considera la distribución de caudales como una variable discreta. La distribución óptima se obtiene de un conjunto de soluciones previamente definidas. En el M-C la distribución de caudales se asume como variable continua. La solución óptima viene dada por el uso de un algoritmo de optimización. Se han usado los algoritmos: Hooke-Jeeves y Nelder-Mead. El siguiente paso es la optimización de costos de operación (costos de bombeo y costos de producción de agua). Para ello se parte del M-C y se incluyen además las tarifas de energía, las tarifas de producción de agua y un criterio sobre el rendimiento mínimo esperado en las estaciones de bombeo. El último paso consiste en la optimización energética y de costos en redes con tanques. La inclusión de tanques implica la modificación del cálculo de la CC y por ende la metodología de optimización. En la función de costes se incluyen además de los costes de bombeo y de producción, costes de penalización por incumplimiento de presiones y de volúmenes de reserva. Al incluirse los tanques, incrementa el número de variables de decisión. Por lo que, es necesario el uso de algoritmos más potentes. Se han usado el Differential Evolution y el Hybrid Algorithm. Este último es un aporte añadido de este trabajo. La metodología de optimización se aplica a cinco redes de distribución: TF, Catinen, Coplaca, Anytown y Richmond. Los tanques sólo se consideran en las dos últimas redes. En el caso de la red TF se realiza una demostración sin entrar en profundidad de la selección de bombas a través del uso de las CC óptimas. Sin embargo, este paso está fuera de los límites de este trabajo. Tampoco se consideran condiciones de operación múltiples de la red, ni la fiabilidad en el caso de la remoción de tanques o sistemas de bombeo. No obstante, los resultados obtenidos evidencian que los sistemas de bombeo operados usando la CC pueden mejorar sus costos operativos hasta en un 12%. La metodología proporciona información sobre las estaciones de bombeo que representan mayores ahorros frente a aquellas que son menos importantes o innecesarias. Además, el método ha permitido demostrar que mejores condiciones de bombeo (bajas tarifas de energía y altos rendimientos) no siempre significan menores costos de operación. Finalmente, algunos resultados muestran la posible utilidad del método para optimizar tanto el uso como la ubicación de los tanqu / Usually, pumping optimisation in water distribution networks is carried out by means of the system head curves (SHCs), also known as the resistance curves (RCs). These curves are subjected to the resistance generated by the users, according with the flow and pressure head needs at the final points of demand. Such resistance is highly variable and hard to determine. Thus the calculation of the RCs and all the points that define them results impractical. As a RCs suitable calculation is not possible, real flow and pressure needs of the network are not known. Therefore, neither energy excess of the pumping regarding the real requirements nor the raising operating costs due to such excess, are estimated. However, there is another type of SHC defined as the setpoint curve (SC). It can be easily calculated, but has been poorly studied so far. Thus, this work aims the optimisation of the energy use and operating costs in pumping systems by using the SCs. To achieve the objective, first of all the SC calculation is studied for networks with several pumping stations, non-pressure driven demands, pressure-driven demands, and without tanks. Next, the optimisation is performed only from the energy point of view (i.e. flow and pumping head required). For that, a search of the optimum flow distribution among pumping stations to find the optimum SCs is performed. Two methods are proposed: the discrete (D-M) and the continuous (C-M). The D-M considers the flow distribution as a discrete variable. The optimum flow distribution is obtained from a set of solutions defined previously. In the C-M, the flow distribution is assumed as a continuous variable. The optimum solution comes from using optimisation algorithms. Two algorithms have been applied: Hooke-Jeeves and Nelder-Mead. Then, the cost optimisation (pumping cost and water production cost) is developed. For that purpose, the M-C is used as starting point. Then, energy tariffs, water production fares and the minimum expected efficiency at the pumping stations, are included. The last step consists in the energy and cost optimisation in networks with tanks. When tanks are included the SC calculation methodology changes. Hence, the optimisation process also does. In that sense, besides the costs of pumping and water production, the cost function also considers penalty costs for unaccomplished minimum pressures and minimum storage leves. Moreover, tanks inclusion also rises the number of decision variables. Thus, the use of more powerful algorithms is required. In that context, the Differential Evolution and the Hybrid Algorithm have been applied. The last one is an additional contribution of this work. The optimisation methodology is applied to five distribution networks: TF, Catinen, Coplaca, Anytown and Richmond. Tanks are only considered in the last two networks. In the case of TF network, demonstrative pumps selection (without going into great depth) by the optimum SCs application is done. However pumps sizing and selection study is out of the scope of this research. Neither multiple operation conditions nor reliability (i.e. in the case that tanks or pumping stations are removed), are considered. Nevertheless, the results obtained evidence that pumping systems operated by mean of the optimum SCs could reduce their operating costs up 12%. The methodology also gives information about which pumping stations represent major savings and which are less important or not needed. Besides, the method demonstrates that better pumping conditions (i.e. low energy tariffs and high efficiencies) not always mean lower operating costs. Finally, some results show that the method could be useful for the optimisation of both placement and use of storage tanks. / L'optimització dels sistemes de bombament se sol realitzar a través de les corbes característiques de la xarxa (associades amb les corbes resistents). Aquestes corbes estan subjectes a la resistència generada per l'usuari en funció de les necessitats de cabal i pressió en cada punt de consum. Aquesta resistència és molt variable i difícil de determinar el que fa que el càlcul de les corbes siga poc pràctic. El problema radica que al no definir-se adequadament les corbes resistents, no es coneixen les necessitats reals de cabal i pressió de la xarxa. Per tant no es pot estimar l'excés d'energia aportat per les bombes ni l'augment de costos d'operació que açò representa. No obstant açò, existeix un altre tipus de corba denominada corba de consigna (CC). Aquesta corba ha sigut poc estudiada fins ara i el seu càlcul és relativament fàcil. Per aquest motiu el present treball té com a objectiu l'optimització de l'energia i dels costos de bombament mitjançant l'ús de la CC. Per a complir amb l'objectiu, primer s'estudia el càlcul de la CC en xarxes d'aigua amb múltiples estacions de bombament, consums no depenents i dependents de la pressió, i sense tancs d'emmagatzematge. Posteriorment, es duu a terme l'optimització només des de la perspectiva energètica (cabal i altura de bombament). Per a açò es realitza la cerca de la distribució de cabals òptima entre les estacions de bombament que comporte a les CC òptimes. Es proposen dos mètodes: un de discret (M-D) i un altre continu (M-C). El M-D considera la distribució de cabals com una variable discreta. La distribució òptima s'obté d'un conjunt de solucions prèviament definides. En el M-C la distribució de cabals s'assumeix com a variable contínua. La solució òptima ve donada per l'ús d'un algorisme d'optimització. S'han usat els algorismes: Hooke-Jeeves i Nelder-Mead. El següent pas és l'optimització de costos d'operació (costos de bombament i costos de producció d'aigua). Per a açò es parteix del M-C i s'inclouen a més les tarifes d'energia, les tarifes de producció d'aigua i un criteri sobre el rendiment mínim esperat en les estacions de bombament. L'últim pas consisteix en l'optimització energètica i de costos en xarxes amb tancs. La inclusió de tancs implica la modificació del càlcul de la CC i per tant la metodologia d'optimització. En la funció de costos s'inclouen a més dels costos de bombament i de producció, costos de penalització per incompliment de pressions i de volums de reserva. En incloure's els tancs, incrementa el nombre de variables de decisió. Pel que, és necessari l'ús d'algorismes més potents. S'han usat el Differential Evolution i el Hybrid Algorithm. Aquest últim és una aportació afegida d'aquest treball. La metodologia d'optimització s'aplica a cinc xarxes de distribució: TF, Catinen, Coplaca, Anytown i Richmond. Els tancs només es consideren en les dues últimes xarxes. En el cas de la xarxa TF es realitza una demostració sense entrar en profunditat de la selecció de bombes a través de l'ús de les CC òptimes. No obstant açò, aquest pas està fora dels límits d'aquest treball. Tampoc es consideren condicions d'operació múltiples de la xarxa, ni la fiabilitat en el cas de la remoció de tancs o sistemes de bombament. No obstant açò, els resultats obtinguts evidencien que els sistemes de bombament operats usant la CC poden millorar els seus costos operatius fins a en un 12%. La metodologia proporciona informació sobre les estacions de bombament que representen majors estalvis enfront d'aquelles que són menys importants o innecessàries. A més, el mètode ha permès demostrar que millors condicions de bombament (baixes tarifes d'energia i alts rendiments) no sempre signifiquen menors costos d'operació. Finalment, alguns resultats mostren la possible utilitat del mètode per a optimitzar tant l'ús com la ubicació dels tancs d'emmagatzematge. / León Celi, CF. (2018). Optimisation of both energy use and pumping costs in water distribution networks with several water sources using the setpoint curve [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107956

El desarrollo de una herramienta computacional basada en el método de elementos finitos (FEM) para modelar numéricamente el proceso de transporte de pulpas minerales en tuberías circulares horizontales es el tema principal en este trabajo. Las pulpas minerales son consideradas aquí como un fluido monofásico con propiedades reológicas de fluidos no Newtonianos. La herramienta computacional es implementada siguiendo un paradigma de programación orientada a objetos, usando C++ como lenguaje de programación principal, y una metodología de descomposición de dominio para su paralelización. La referida herramienta es validada realizando simulaciones numéricas de múltiples casos de estudio involucrando flujos de fluidos Newtonianos y no Newtonianos. En esta etapa de validación, errores máximos de 3% en tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales son obtenidos. Luego de ser validada, la herramienta computacional es utilizada para estudiar parámetros importantes en el diseño de sistemas de transporte de pulpas minerales. Más específicamente, parámetros relativos a la viscosidad, grado de concentración de partículas, velocidad de la fase continua y caída de presión son particularmente analizados. El principal aporte de este trabajo es el desarrollo de una nueva herramienta computacional basada en FEM para modelar adecuadamente flujos viscosos no Newtonianos, permitiendo resolver problemas prácticos de diseño de tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales. Además, comparado con otros enfoques paralelos reportados en la literatura, el utilizado aquí es relativamente fácil de implementar en herramientas de dinámica de fluidos computacional. Así, otra de las contribuciones de este trabajo es el desarrollo de un algoritmo en paralelo adecuado para herramientas basadas en FEM que modelen pulpas minerales. Finalmente, otra de las contribuciones de este trabajo está asociada con el estudio numérico por primera vez de pulpas minerales reales recientemente caracterizadas en la literatura.

El transporte de hidrocarburos por ductos requiere considerables consumos de energía para compensar las pérdidas de las mismas debido a la fricción y variaciones de altura a lo largo de la tubería. Es así que el consumo energético se convierte en el principal gasto operativo de un sistema de transporte y una optimización energética repercutirá significativamente en ahorros económicos para la empresa transportista. La presente tesis plantea la optimización energética en un sistema de transporte de líquidos de gas natural con características particulares en altimetría, consumo de energía de bombeo y uso de reductores de fricción. El análisis de basa principalmente en una evaluación y ajuste de los siguientes parámetros: - Consumo de energía de bombeo. - Concentración de reductores de fricción. - Presiones de operación de las estaciones de bombeo. - Configuraciones de estaciones de bombeo de acuerdo al régimen de transporte. Para realizar dicho análisis es necesario modelar el efecto de los reductores de fricción en la tubería y cómo afecta éste en la potencia de bombeo requerida del sistema. El estudio permitirá estimar una optimización energética para un sistema de transporte de líquidos de gas natural y consecuentemente poder reducir los costos asociados a la operación del ducto.

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas. / In this work, we have developed a numerical simulator (C/C++) to solve incompressible Newtonian fluid flows, based on the meshfree Lagrangian Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method. Traditionally, two methods have been used to determine the pressure field to ensure the incompressibility of the fluid flow. The first is calledWeak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) Method, in which an equation of state for a quasi-incompressible fluid is used to determine the pressure field. The second employs the Projection Method and the pressure field is obtained by solving a Poissons equation. In the study developed here, we have proposed three iterative methods based on the Projection Method to calculate the pressure field, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) Method. In order to validate the iterative methods and the computational code we have simulated two one-dimensional problems: the Couette flow between two infinite parallel flat plates and the Poiseuille flow in a infinite duct, and periodic boundary conditions and ghost particles have been used. A two-dimensional problem, the lid-driven cavity flow, has also been considered. In solving this problem we have used a periodic repositioning technique and ghost particles.

CERNN / Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluidos de lei de potência e Bingham junto à interface entre uma região livre e outra porosa (interface fluido-porosa) utilizando o método lattice Boltzmann. Para tanto, considera-se o escoamento entre placas planas e paralelas entre as quais se faz presente um meio poroso abordado de forma heterogênea (resolução espacial da ordem de grandeza dos poros), representado através de obstáculos sólidos quadrados uniformemente distribuídos na parte inferior do canal. As análises realizadas mostram o efeito dos diversos parâmetros adimensionais que descrevem o problema sobre o fator de atrito na região livre do canal. De um modo geral, constata-se que a discrepância entre os fatores de atrito na região livre do canal e para o escoamento entre placas planas e paralelas cresce com o aumento da porosidade e do número de Bingham e com as reduções do número de obstáculos que compõem o meio poroso, número de Reynolds e índice de lei de potência. Ademais, propõe-se a adaptação do modelo analítico para a representação da interface fluido- porosa para escoamento de fluido newtoniano proposto por Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) ao escoamento de fluido de lei de potência, verificando-se a possibilidade de incorporar o comportamento não newtoniano do fluido ao parâmetro empírico do modelo. / The goal of this work is to numerically investigate the flow of power law and Bingham fluids next to the interface between a free and a porous region (fluid-porous interface) using the lattice Boltzmann method. For this, the flow between parallel plates partially filled by a porous material is studied, with the porous medium being represented by a set of solid square obstacles uniformly distributed in lower half of the channel. Results show the influence of non-dimensional parameters in the free region friction factor. In geral, it is observed that the friction factor decreases when porosity or Bingham number are increased and number of obstacles, Reynolds number or power law index are lowered. Moreover, it is porposed the application of the fluid-porous interface model proposed by Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) to the flow of power law fluids by varying the stress jump coefficient with the power law index.

CAPES / Vários estudos numéricos investigaram cavidades fechadas sob o efeito da convecção natural preenchidas com fluidos newtonianos generalizados (FNG) nos últimos anos pelas aplicações diretas em trocadores de calor compactos, no resfriamento de sistemas eletrônicos e na engenharia de polímeros. Neste trabalho é realizada a investigação numérica do processo de convecção natural de fluidos de lei de Potência e de Bingham em cavidades fechadas, aquecidas lateralmente e preenchidas com meios heterogêneos e bloco centrado. O meio heterogêneo é constituído de blocos sólidos, quadrados, desconectados e condutores de calor. Como parâmetros são utilizados a faixa de Rayleigh de 104 à 107, índice de potência n de 0, 6 à 1, 6, número de Bingham de 0, 5 até Bimax , sendo investigado da influência do número de Prandtl para cada modelo de fluido. Nas cavidades com meio heterogêneo são utilizadas as quantidades de blocos de 9, 16, 36 e 64, mantendo-se a razão entre a condutividade térmica do sólido e do fluido κ = 1. Para as cavidades com bloco centrado, são utilizados os tamanhos adimensionais de 0, 1 à 0, 9 com κ = 0, 1; 1 e 10. A modelagem matemática é realizada pelas equações de balanço de massa, de quantidade de movimento e de energia. As simulações são conduzidas no programa comercial ANSYS FLUENT R . Inicialmente são resolvidos problemas com fluidos newtonianos em cavidade limpa, seguida de cavidade preenchida com meio heterogêneo e posteriormente bloco centrado para validação da metodologia de solução. Na segunda etapa é realizada o estudo com os modelos de fluidos de lei de Potência e de Bingham seguindo a mesma sequência. Os resultados são apresentados na forma de linhas de corrente, isotermas e pelo número de Nusselt médio na parede quente. De maneira geral, a transferência de calor na cavidade é regida pelo número de Rayleigh, tamanho e condutividade térmica dos blocos, pelo índice de potência para o modelo de lei de Potência e do número de Bingham para o modelo de Bingham. O número de Prandtl tem grande influência nos dois modelos de fluidos. O meio heterogêneo reduz a transferência de calor na cavidade quando interfere na camada limite térmica para ambos os fluidos, sendo feita uma previsão analítica para o fluido de lei de Potência. Para bloco centrado, a interferência na camada limite com fluido de lei de Potência também foi prevista analiticamente. A transferência de calor aumentou com bloco de baixa condutividade térmica e pouca interferência e com bloco de alta condutividade térmica e grande interferência, para ambos os fluidos. / Many studies have been carried out in square enclosures with generalized Newtonian fluids with natural convection in past few years for directly applications in compact heat exchangers, cooling of electronics systems and polymeric engineering. The natural convection in square enclosures with differently heated sidewalls, filled with power-law and Bingham fluids in addition with heterogeneous medium and centered block are analyzed in this study. The heterogeneous medium are solid, square, disconnected and conducting blocks. The parameters used are the Rayleigh number in the range 104 - 107 , power index n range of 0, 6 - 1, 6, Bingham number range of 0, 5 - Bimax , being the influence of Prandtl number investigated for each fluid model. The number of blocks for heterogeneous medium are 9, 16, 36 and 64, keeping constant solid to fluid conductive ratio, κ = 1. For enclosures with centered block are used the nondimensional block size from 0, 1 to 0, 9, with solid to fluid conductive ratio in range κ = 0, 1; 1 and 10. Mathematical modeling is done by mass, momentum and energy balance equations. The solution of equations have been numerically solved in ANSYS FLUENT R software. Firstly, numerical solutions for validation with Newtonian fluids in clean enclosures are conducted, followed by enclosures with heterogeneous medium and centered block. Subsequently, numerical solutions of power-law and Bingham fluids with same enclosures configurations are conducted. The results are reported in the form of streamlines, isotherms and average Nusselt number at hot wall. In general, the heat transfer process in enclosure is governed by Rayleigh number, size and thermal conductivity of the blocks, power index n for power-law fluid and Bingham number for Bingham fluid. Both fluid models are very sensitive with Prandtl number changes. Heterogeneous medium decrease heat transfer in enclosure when affects thermal boundary layer for both fluid models. One analytical prediction was made for power-law fluid. An increase in heat transfer occurs with low thermal conductivity block and few interference and with high thermal conductivity block and great interference, for both fluids.