El objetivo del siguiente trabajo es establecer el comportamiento de un perfil aerodinámico cuando éste se acerca al suelo, además de buscar otros fenómenos que se producen en dicho acercamiento (como en la estabilidad por ejemplo). Para alcanzar los objetivos y luego de una revisión de las bases teóricas del tema, se preparó un programa de simulación basado en el método de vórtices discretos en fluidos bidimensionales cuyos resultados permitieran observar como variaban estos fenómenos en relación a la cercanía al suelo. Para comprobar la fidelidad de los resultados obtenidos se compararon algunos de éstos con conceptos teóricos ideales y con resultados experimentales de túneles de viento, además de fuentes diversas sobre experimentos realizados sobre el fenómeno WIG (Wing in Ground). Luego de poner en práctica conjunta todos estos conceptos se pudo llegar a diversas conclusiones, las más importantes obviamente relacionadas con los objetivos de trabajo:  La sustentación de un perfil aumenta cuando éste se acerca al suelo (a una distancia de 50% de la cuerda del perfil puede haber un aumento de aprox 30% en la sustentación).  Este perfil pierde estabilidad cuando se acerca al suelo (aumenta el momento de giro generado por las fuerzas de sustentación) Al tener gran cantidad de datos se pudo llegar a otras conclusiones como por ejemplo:  El efecto suelo es proporcional a la longitud de cuerda.  El efecto suelo tiene una variación geométrica respecto de la cercanía al suelo.  Un aeroplano puede sacar partido de este fenómeno para lograr performances mayores en alcance o capacidad de carga. A manera de sugerencia anexo en este trabajo algunos posibles temas que pueden ser desarrollados tomando éste como partida en cualquier parte, sea por aerodinámica, estudio del efecto suelo o la programación de la simulación en si.

Este trabajo aborda un análisis experimental de los factores energéticos y mineralógicos en un proceso de molienda de cobre respecto a variaciones en las condiciones de operación. Para ello, se implementó una planta piloto a escala de laboratorio en la que se realizaron experimentos con diferentes porcentajes de sólidos en la alimentación del circuito. Esta planta fue establecida en el laboratorio de Mineralurgia de la PUCP. La metodología se desarrolló para evaluar 3 niveles de porcentaje de sólidos y su influencia en los factores de consumo energético del molino de bolas, tamaño y tasa de producto y Work Index de Operación. Se realizaron estudios preliminares para caracterizar el mineral a moler y se siguió la metodología del Diseño de Experimentos (DOE) para el desarrollo de los ensayos. Tras la recopilación de data y muestras, se procesaron los resultados tanto de manera gráfica como estadística, siguiendo el análisis de varianza propuesto por el DOE. Los resultados mostraron que al disminuir el porcentaje de sólidos de 75% a 66% se puede lograr una disminución en el consumo de energía del molino y un aumento en la tasa del producto; aunque, en contraparte, también un aumento en el tamaño de partículas del producto. La interacción de estos 3 parámetros, relacionados por medio del Work Index de Operación, dio como conclusión que en ambas réplicas el menor Work Index de Operación fue a la concentración de sólidos de 66%; mientras que para la de 70%, fue la mayor. Por otro lado, los resultados fueron comparados con referencias bibliográficas y se verificaron comportamientos similares. Así como, al comparar con el estándar de laboratorio hallado mediante el método de Bond, se reveló que el circuito puede continuar siendo optimizado. El documento concluye en que, si se realiza un compromiso entre bajo consumo energético, pero un mayor tamaño de producto; en una molienda húmeda, de cobrecalcopirita, en circuito cerrado y flujo continuo, evaluado en este estudio, se identificaría como la opción a recomendar el porcentaje de sólidos de 66%.

Reaction fronts of chemical activity propagate with velocities that depend on the angle of inclination of the container. Buoyancy forces due to changes in chemical composition across the front will affect the velocity and shape of the front. If an external Poiseuille flow is imposed, the conditions of propagation would also change depending on the strength of this flow. Fronts in vertical tubes can change from flat to nonaxisymmetric, and then to axisymmetric as the density gradient is increased. Imposing a Poiseuille flow or tilting the tube changes how this sequence takes place. In this paper, we study the combined effects of convection and forced Poiseuille flow in inclined tubes, solving numerically the reaction-diffusion equations coupled to the Navier- Stokes equations.

Surface tension driven convection affects the propagation of chemical reaction fronts in liquids. The changes in surface tension across the front generate this type of convection. The resulting fluid motion increases the speed and changes the shape of fronts as observed in the iodate-arsenous acid reaction. We calculate these effects using a thin front approximation, where the reaction front is modeled by an abrupt discontinuity between reacted and unreacted substances. We analyze the propagation of reaction fronts of small curvature. In this case the front propagation equation becomes the deterministic Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation with the addition of fluid flow. These results are compared to calculations based on a set of reaction-diffusion-convection equations.

En el presente trabajo se desarrolla una metodología para determinar a la configuración de mínimas pérdidas entre 3 combinaciones distintas de ángulos tobera-aguja de una turbina Pelton: 110°-70°, 100°-70° y 110°-80°. Para ello, se simularon los 3 casos para un caudal de 33 l/s y un salto neto de 15 m en el paquete CFD Ansys Fluent. Se identificaron y modelaron las geometrías para cada caso, las cuales fueron subdivididas en mallas de elementos finitos más pequeños. El software resolvió las principales ecuaciones gobernantes de Mecánica de Fluidos (continuidad, cantidad de movimiento, turbulencia, entre otras) en cada elemento finito para poder determinar las pérdidas correspondientes a cada caso. Se encontró que la configuración de mínimas pérdidas es la de 110°-70° con unas pérdidas del 4.49% respecto de la presión total de entrada. Se contrastaron los resultados del presente estudio con los obtenidos por distintas fuentes. Finalmente, dado que se obtuvieron resultados similares a las fuentes, se valida la metodología. Se hubiera podido obtener resultados más similares y precisos de haber contado con mayores recursos computacionales.

Los sistemas de reacción-difusión permiten la formación de estructuras debido a las distintas difusividades de substancias químicas. Uno de estos sistemas es el de activador-inhibidor presentado en el modelo del Brusselador. En el caso en que este sistema se encuentre en un fluido, requerirá de términos de advección que representan el fenómeno de transporte ocasionado por la velocidad del fluido. Cuando el flujo presenta un esfuerzo de corte, las difusividades efectivas de cada substancia son modificadas, permitiendo invertir las condiciones de estabilidad que permiten la formación de patrones (Vásquez, 2004). En este trabajo se analiza la formación de patrones debido a la advección de un flujo cortante. A través de un flujo de Poiseuille, donde la velocidad tiene dependencia espacial transversal (forma parabólica), se pude violar la condición de formación de patrones de Turing (Vásquez, 2004). Para poder expandir esta investigación y analizar el efecto de un flujo generado por un vórtice, primero se analizará el movimiento caótico generado por vórtices y se caracterizarán diferentes patrones generados por distintos flujos cortantes

La presente tesis tuvo como objetivo estudiar frentes de reacción modelados mediante la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky sujetos a diferentes tipos de movimiento de fluido: flujo externo de Poiseuille, el cual es contrastado con el flujo de Couette, y flujo convectivo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. En el primer caso, los frentes se propagan a favor o en contra de un flujo estacionario bidimensional entre dos placas paralelas que se conoce como flujo de Poiseuille. Para pequeñas distancias entre las placas, encontramos frentes estacionarios que pueden ser planos, simétricos o asimétricos, dependiendo de la separación de las placas y de la velocidad promedio del fluido externo. Adicionalmente, descubrimos que los frentes simétricos estables que se propagan en sentido opuesto al flujo simétrico externo se vuelven asimétricos al incrementar la rapidez del flujo externo. En el caso del flujo externo de Couette, el flujo es producido por el movimiento de dos placas paralelas en sentidos opuestos. Hallamos que la estabilidad y la forma de los frentes estacionarios dependen de la velocidad relativa entre las placas y de su separación. Estos parámetros desempeñan un papel importante, puesto que pueden convertir frentes inestables en estables. En el último caso, las inestabilidades en el frente producidas cuando un fluido más denso se encuentra encima de un fluido menos denso se conocen como inestabilidades de Rayleigh-Taylor y son causadas por la diferencia de densidades a través del frente bajo la acción de la gravedad. El frente describe la interfaz delgada que separa los fluidos de diferente densidad dentro de dos placas paralelas verticales; mientras que la convección causada por las fuerzas de flotación a través de la interfaz delgada determina el flujo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Para el estudio de los efectos del flujo externo sobre los frentes de reacción, primero obtuvimos los frentes y luego realizaremos un análisis de estabilidad lineal para determinar la estabilidad de los frentes bajo los tres tipos de movimiento del fluido. La forma de los frentes y sus respectivas regiones de estabilidad fueron contrastadas con los frentes en ausencia de flujo externo. Los resultados de la investigación fueron publicados en tres revistas internacionales arbitradas e indexadas: Physical Review E (2012), Chaos (2014), y European Physics Journal (2014). Adicionalmente, la tesis presenta resultados para frentes oscilantes y sus transiciones al caos debido a la interacción del frente de reacción con los flujos externos antes mencionados.

El objetivo principal de este trabajo es predecir la dispersión de un flujo bifásico en el lecho de un reactor de hidrodesulfuración. Se consideran propiedades físicas constantes, sin incluir reacciones químicas ni procesos de transferencia de calor ni materia. Dos herramientas de simulación diferentes se han utilizado en este estudio. Una de ellas es el software comercial Fluent, ampliamente utilizado en el campo de la Computación en Dinámica de Fluidos, en el que se han introducido nuevos modelos de arrastre y capilaridad no incluidos en la versión comercial del software. La segunda herramienta utilizada es el código doméstico Multiphase Flow Solver, escrito en lenguaje de programación Fortran, que ha sido desarrollado durante esta tesis doctoral, constituyendo un importante objetivo de la misma. Este código incorpora los modelos necesarios para describir los procesos físicos que describen el comportamiento de este tipo de flujos multifásicos y su dispersión en medios porosos. / The main objective of this work is to predict the two-phase flow dispersion in the bed of a hydrodesulfurization reactor. Physical properties are considered to remain constant, without including chemical reactions nor heat and mass transfer processes. Two different simulation tools have been used in this study. One of them is the commercial software Fluent, widely used in the field of Computational Fluid Dynamics, in which new drag and capillarity models not included in the commercial version of the software have been implemented. The second tool used is the domestic code Multiphase Flow Solver, written in Fortran programming language, which has been developed during this doctoral thesis, being one important goal of it. This code includes the models needed to describe the physical processes which describe the behavior of this type of multiphase flows and their dispersion in porous media.

La presente tesis propone una metodología basada en la modelación de la mecánica de fluidos computacional para optimizar la hidrodinámica del flujo del electrolito en los reactores electroquímicos con validaciones experimentales.   Se presenta una investigación para que, a través de la proposición y análisis de unos parámetros indicadores, se pueda mejorar los diseños actuales de las celdas que constituyen los reactores en este estudio y proponer un óptimo realizable. En consecuencia, el objetivo de la presente tesis es analizar y revelar los estados de flujo del electrolito dentro del reactor mediante el uso de un código numérico que resuelva la mecánica del flujo del electrolito en las geometrías propuestas. Ello permite, por un lado, determinar unos parámetros cuantificables que analizan la bondad de los diseños en aras de tener visualizaciones de los flujos; y, por otro lado, disponer de aspectos cuantificables que permitan la optimización de los diseños. El diseño y los parámetros propuestos se validan experimentalmente en dos geometrías diferentes construidas para tal fin.   Este objetivo de carácter general se divide en una serie de objetivos más específicos que se detallan a continuación:  Realizar un estudio de la viabilidad económica basado en el caso de España para este tipo de baterías.  Realizar un estudio detallado acerca de las investigaciones realizadas hasta la fecha relativa a la optimización mediante técnicas CFD (por sus siglas en inglés: Computational Fluid Dynamics) del interior de un reactor electroquímico redox, ya sea mediante metodologías funcionales o mediante otro tipo de técnicas de diseño.  Evaluar la bondad de los distintos modelos desarrollados mediante las técnicas CFD frente a modelos experimentales, observando la adecuación de los modelos computacionales frente a los modelos físicos.  Proponer parámetros propios en este campo para la cuantificación de la eficiencia del reactor en base a la velocidad a la que circula el fluido en el interior de la celda Definir el ajuste más adecuado de los distintos operadores de diseño para cada una de las propuestas de optimización realizadas.  Obtener una geometría óptima en función de los parámetros de diseño para la construcción de una celda a escala real. A partir de la metodología propuesta se ha seguido un proceso de optimización en relación con la influencia del flujo del electrolito en el interior de la celda para desarrollar una geometría final optimizada. A partir de los análisis desarrollados, se ha demostrado la importancia que tiene la tecnología de almacenamiento de energía que se propone en el sistema energético español y se ha realizado un análisis económico de una batería concreta que avala su viabilidad. Se ha estimado, en este caso, un tiempo de amortización de 8 años y medio.   Asimismo, se ha realizado un modelo validado para un prototipo experimental con mediciones en laboratorio y contrastaciones numéricas que avalan el uso de la fluidodinámica computacional que se propone. A través del software comercial STAR‐CCM+ de CD‐Adapco©, se ha validado un modelo inicial a escala de laboratorio en el Departamento de Electroquímica de la Universidad de Alicante (España). Esta validación ha dado unos errores menores del 2,22 % al comparar el modelo físico con el numérico. Se han definido ciertos parámetros de funcionamiento en este primer prototipo como, por ejemplo, el porcentaje de volumen de fluido circulando en la dirección principal del flujo, siendo este del 83 %.   En la presente tesis se propone una metodología conjunta basada en la experiencia adquirida en fases previas para proponer parámetros de diseño. Dicha metodología atiende a la definición de los siguientes conceptos: coeficiente de simetría, coeficiente de uniformidad, coeficiente del rango de velocidades y volumen de fluido en la dirección principal.    El coeficiente de simetría indica la diferencia de caudal que circula por ambas partes de la celda en la dirección longitudinal; el coeficiente de uniformidad evalúa la velocidad media de cada canal; el coeficiente del rango de velocidades analiza la velocidad en un punto específico de la membrana para determinar la variabilidad del frente de velocidad; y, por último, se define el volumen de fluido en la dirección principal que cuantifica la laminaridad y dirección del fluido en el interior de la celda. Esta metodología se usa para optimizar la batería basada en modificaciones sobre disposiciones ya existentes, de manera que se llega a una geometría final en la que el número de los canales más cercanos a la membrana es de 84, con una distancia de 1 mm entre canal y canal. Esta geometría construida a escala real y ensayada en el Laboratorio Justo Nieto de Mecánica de Fluidos de la Universidad Politécnica de Valencia esta validada con mediciones experimentales de presiones y velocidades lo que permite ratificar el modelo numérico propuesto. La batería diseñada tiene prácticamente una simetría perfecta y una distribución uniforme cuando el fluido alcanza la membrana. El 100 % del fluido que transcurre por la zona de membrana circula en la misma dirección, lo que provoca que se minimicen las zonas de recirculación o zonas muertas. La metodología descrita cuantifica la bondad de un diseño claramente mejorado frente a los ya existentes, al mismo tiempo que valida la metodología propuesta para el diseño de este tipo de elementos basados en la mecánica del flujo del electrolito en el interior de la misma. La presente tesis se avala con una comunicación a congreso y cuatro artículos presentados a revistas indexadas en la base de datos "Journal Scitation Reports" que se detallan a continuación.  Escudero González, J.; Alberola, A.; López Jiménez, P.A. 2012. Computational Fluid Dynamics Applied to a Prototype Flow Battery. III International Flow Battery Forum (IFBF 2012).   Munich, June de 2012. Minutes Book. Pages 14‐16. ISBN 978‐0‐9571055‐2‐2.  Escudero Gonzalez, J.; Alberola, A.; López‐Jiménez, P. A. 2013. Redox Cell Hydrodynamics Modelling. Simulation and Experimental Validation. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. Volume 7. N 2. Pages 168‐181. June 2013. (Factor de Impacto en 2012: 1.144; Q2).  Escudero‐González, J.; López‐Jiménez, P. A. 2014. Methodology to Optimize Fluid‐Dynamic Design in a Redox Cell. 2014. Journal of Power Sources. Volume 251, 1 April 2014, Pages 243– 253. (Factor de Impacto en 2012: 4.675; Q1)  Escudero‐González, E.; López‐Jiménez, P.A. 2014. Iron redox battery as electrical energy storage system in the Spanish energetic framework. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. Volume 61, October 2014, Pages 421–428. (Factor de Impacto en 2012: 3.432; Q1)  Escudero‐González, J.; López‐Jiménez, P.A. Pendiente de publicación. Redox Cell Hydrodynamics Modelling. Towards a Real Improved Geometry based on CFD Analysis. Artículo aceptado para su publicación, en proceso de edición en la revista Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. (Factor de Impacto en 2012: 1.144; Q2). / Escudero González, J. (2014). Metodología de aplicaciones de técnicas computacionales y experimentales para la optimización de la hidrodinámica de reactores electroquímicos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/39347 / TESIS

En el presente trabajo se estudia la propagación de frentes químicos sujetos a la inestabilidad de Rayleigh- Taylor. El flujo convectivo es modelado utilizando la ecuación de Navier-Stokes. Los resultados serán comparados con los obtenidos con la ley de Darcy. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se presenta cuando dos uidos de distintas densidades separados por una delgada interfaz plana se vuelve inestable debido al gradiente de densidades que ocurre cuando el fluido más denso esta encima del menos denso y bajo la acción de la gravedad. Se consideran fluidos con las siguientes condiciones: inmiscibles, incompresibles e irrotacionales. Para describir el frente de propagación hemos utilizado la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky(K-S) acoplada con la ecuación de Navier-Stokes para la evolución del ujo de convección. La solución de la ecuación (K-S) ofrece una rica variedad de comportamiento espaciotemporal: frentes planos, frentes simétricos o asimétricos, frentes oscilantes y caóticos. El análisis de estabilidad lineal muestra regiones de bi-estabilidad para diferentes números de Rayleigh. / In the present work, the propagation of chemical fronts subject to Rayleigh-Taylor instability is studied. Convective ow is modeled using the Navier-Stokes equation. The results will be compared with those obtained with Darcy's law. Rayleigh-Taylor instability occurs when two fluids of different densities separated by a thin at interface becomes unstable due to the density gradient that occurs when the densest fluid is above the less dense and under the action of gravity. They are considered uid with the following conditions: immiscible, incompressible and irrotational. To describe the propagation front we used the Kuramoto-Sivashinsky equation (K-S) coupled with the Navier-Stokes equation for the evolution of the convection ow. The solution of the equation (K-S) offers a rich variety of space-time behavior: at fronts, symmetrical or asymmetric fronts, oscillating and chaotic fronts. The linear stability analysis shows regions of bi-stability for different Rayleigh numbers.