Esta tesis desarrolla la simulación del proceso de fundición de un elemento cilíndrico con el programa de elementos finitos Vulcan 8.0, a la par de la ejecución real de la misma pieza en el laboratorio de la Sección de Ingeniería Mecánica, con el objetivo de comparar los resultados de los procesos, evaluar la capacidad de la herramienta de simulación utilizada y de esta manera contribuir a la aplicación del software a la enseñanaza universitaria. El capítulo 1 es la base teórica de la tesis y por lo tanto está dedicado a subrayar la teoría importante del conjunto: Proceso de fabricación (Fundición)/Herramienta de Simulación (Vulcan), mientras que el Capítulo 4, resulta ser una guía de simulación para los alumnos de las clases de Laboratorio de Fundición en donde el uso del software del Vulcan forma parte de la experiencia académica. El capítulo 2 y 3, conforman el cuerpo de este trabajo, y aquí los resultados del conjunto ensayo/simulación son comparados en base a los defectos presentados. El defecto más notorio y perjudicial en la pieza fundida es el rechupe. Mediante la simulación, la localización de dicho defecto se logra predecir con una muy buena aproximación mediante el criterio de solidificación de materiales denominado fracción sólida. Además, el software permite observar la evolución de vectores de velocidad durante el llenado, lo cual ayuda a evaluar zonas de alta turbulencia y por lo tanto focos de aparación de porosidades y defectos. Para finalizar el capítulo 3, se presentan gráficos de evolución de la variable temperatura versus tiempo con el objetivo de analizar el fenómeno de la transferencia de calor durante la solificación del material. Finalmente se comprueba que, a pesar de las dificultades presentadas durante el desarrollo de la investigación, como por ejemplo la utilización de un material de colada distinto para cada procedimiento (virtual: A1Si7Mg /real:chatarra de aluminio), los resultados presentados por el software Vulcan son muy convincentes. Los defectos reales son localizados con gran precisión en la pieza virtual. Este resultado permite afirmar que este programa posee una muy buena capacidad para evaluar los diseños preliminares de una fundición. / Tesis

El litoral es uno de los ecosistemas que exhiben mayor dinamismo en la naturaleza. La actividad humana es un factor determinante para dicha dinámica, ya que está relacionada a la infraestructura de protección, puertos o edificaciones en dicha zona. Por ende, conocer los procesos morfodinámicos del cambio y tendencias sobre las medidas de cambio costero es una de las metas actuales de la ingeniería. Para tal fin, el presente trabajo busca describir el estado del arte de la dinámica costera y caracterizar los procesos de cambio del litoral peruano mediante un análisis númerico del cambio de posición de las costas. Con uso de la metodología descrita, se analizaron tres casos de estudio en el Perú, las cuales son costas cercanas a Paita, Lima y Matarani. Para dicho análisis, se usaron imágenes satelitales, plataformas GIS y programas de análisis númerico con los que se obtuvo espectros de variación de la señal costera que ayudan a medir la variabilidad del cambio costero. Dentro de los resultados obtenidos, se encontró un comportamiento autosimilar (fractales) en escalas pequeñas de hasta 1 km. Mientras que, en escalas mayores, la variablidad creció hasta una escala que puede ser denominada como la escala característica de la costa, la cual tiene un tiempo de estabilización asociado en el que se puede afirmar que la costa llega a un estado de equilibrio. Asimismo, se encontró que los procesos dinámicos que predominan en los litorales analizados están relacionados con escalas características de gran longitud (mayores a las de 1 km). Por tal motivo, se deben aunar esfuerzos para seguir en esta línea de investigación, a partir de cual se puede llegar a definir la forma de evolución de una línea costera. / Tesis

Dados de altura da superfície do mar medidos a partir de satélites altimétricos e saídas de dois modelos de circulação geral dos oceanos (OGCM for the Earth Simulator - OFES e Community Earth System Model - CESM) foram utilizados com o objetivo de verificar se modelos numéricos climáticos reproduzem ondas de Rossby de forma similar à observada em dados altimétricos no Atlântico Sul. Os modelos diferem quanto à forçante, o modelo OFES é forçado com dados do NECP-NCAR enquanto que o modelo CESM é acoplado com modelo atmosférico, de gelo e terrestre. Uma vez que essas ondas dependem da estrutura interna de densidade e da forçante do vento, podemos fazer inferências sobre a adequação desses dois fatores nos modelos à realidade observada pelo altímetro. Uma série de filtros de resposta impulsiva finita 2D (FIR-2D) foi aplicada aos dados de anomalia da altura da superfície do mar com o propósito de detectar as ondas de Rossby e as componentes de onda encontradas nos dados dos modelos foram comparadas com as do altímetro. Os dois modelos são capazes de reproduzir ondas de Rossby e apresentam melhores resultados em baixas latitudes. Porém o modelo OFES apresentou mais dificuldades para reproduzir os parâmetros de onda encontrados no altímetro apresentando diferenças médias de até 68% para a amplitude, 34% para o comprimento de onda e 38% para a velocidade de fase. Em contrapartida as maiores diferenças médias entre os parâmetros de onda calculados a partir dos dados altimétricos e do modelo CESM foram de 32% para a amplitude, 20% para o comprimento de onda e 20% para a velocidade de fase. Além disso, o modelo CESM foi capaz de reproduzir o sinal sazonal com uma correlação média de aproximadamente 0,7 com o sinal sazonal encontrado pelo altímetro em toda a bacia do oceano Atlântico Sul enquanto que o sinal sazonal do modelo OFES apresentou uma correlação média de 0,4 com o sinal encontrado pelo satélite. Estes resultados mostram que os dois modelos reproduzem o fenômeno satisfatoriamente, sendo o CESM melhor que o OFES. A diferença dos resultados deve estar ligada aos aspectos supracitados, especificamente à forçante atmosférica e estrutura de densidade na coluna d\'água nas latitudes ao sul de 20ºS. / Sea surface height data measured from altimetry satellites and outputs of two ocean general circulation models (OGCM for the Earth Simulator - OFES and Community Earth System Model - CESM) were used to determine whether climate numerical models reproduce the Rossby waves in a manner similar to those observed in altimetry record in the South Atlantic. The models differs in the forcing, OFES is forced with NCEP-NCAR data while CESM is coupled with atmospheric model, ice and land model. Because these waves depend on the internal density structure and wind forcing, we can make inferences about the suitability of these two factors in the models in comparison with the altimetry data used as a reference. A series of finite impulse response band-pass filters (FIR-2D) was applied to isolate the westward propagating signals corresponding to Rossby waves in the altimeter. Both models are able to reproduce Rossby waves and show better results in low latitudes. However, the OFES model presented more difficulty to reproduce the wave parameters found in altimeter with differences of up to 68% for amplitude, 34% for the wavelength and 38% for phase velocity. By contrast the greatest differences between the wave parameters computed from the altimeter data and the CESM model were 32% for amplitude, 20% for the wavelength and 20% for phase velocity. Furthermore, the CESM model was capable of reproducing the seasonal signal correlation with an average of approximately 0.7 with altimeter\'s seasonal signal found throughout the South Atlantic basin, while the OFES\'s seasonal signal showed an average correlation 0.4 with the signal found by the satellite. These results indicate that both models can reproduce the phenomenon satisfactorily, the CESM better than OFES. The difference between the results should be related with the aspects cited above, specifically with the atmospheric forcing and the density structure in the water column in latitudes southern then 20ºS.

Este projeto apresenta a construção de um modelo numérico do Sistema Aqüífero Guarani pelo método de elementos finitos para auxiliar o gerenciamento de recursos hídricos subterrâneos na área do projeto piloto de Ribeirão Preto, localizada na região nordeste do Estado de São Paulo. Dados topográficos, hidrológicos e hidrogeológicos da região de interesse foram obtidos principalmente de mapas (impressos e digitais) e poços cadastrados junto a órgãos governamentais, em cooperação com o grupo coordenador do projeto piloto de Ribeirão Preto. Os dados levantados foram armazenados, processados e analisados utilizando ferramenta SIG, seguida da geração de mapas interpolados com características hidrogeológicas. Esses dados foram transferidos para o software de simulação SPA, onde se deu a construção da malha de elementos finitos e a atribuição dos parâmetros e condições de contorno ao modelo. Em seguida, foi feita uma análise de sensibilidade do modelo, e testadas algumas configurações de parâmetros hidrogeológicos e de taxas de recarga. O modelo apresentou bons resultados e desempenho, e, como parte de uma constante evolução, são propostas visitas de campo para verificação de dados para o seguimento desse projeto. / This work presents a numerical model for the Guarani Aquifer System management in the Ribeirão Preto pilot project area, located in the Northeast of São Paulo State. Topographical, hydrological and hydrogeological data of the region were obtained from printed and digital maps and well database recorded in governmental departments, in cooperation with the Ribeirão Preto coordinating group of the pilot project. The collected data were stored, processed and analyzed making use of GIS tool, followed by the generation of interpolated maps with hydrogeological parameters. These data were transferred to the SPA simulation software, which is based on the finite element method. After mesh construction, and attribution of parameters and boundary conditions, a sensitivity analysis of the model was performed. Different hydrogeological parameter configurations were tested. The model proved to represent the established conceptual model adequately. However base flow data and field visits are necessary, in order to improve the model representativity.

El movimiento del mar (corrientes, olas...) es un factor determinante de las condiciones ambientales del medio marino. Estas condiciones son alteradas por las actuaciones humanas mediante la construcción de diques o espigones, el tendido de tuberías submarinas, la ejecución de planes de ordenación de playas, etc...Para evaluar y predecir los efectos de las actuaciones humanas en la zona litoral (e.g. alteraciones de la línea de orilla, contaminación debida a la emisión de efluentes químicos o térmicos, etc...) es necesario simular el flujo marino mediante un modelo matemático que nos permita abordar este cometido con total generalidad, aunque introduciendo por economía computacional, todas las simplificaciones que la naturaleza física del problema permita. En el estudio de la circulación marina en áreas de plataforma continental, bahías y estuarios poco estratificados, etc, es frecuente el uso de una versión simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes para aguas someras, comúnmente denominadas ecuaciones de Shallow-Water (SWE) (ver e.g. Abbot, 1979).Entre 1987 y 1990, se desarrolló en el Laboratorio de Ingeniería Marítima de la Universitat Politècnica de Catalunya un modelo quasi-3D en elementos finitos (ANASTASE) para resolver las SWE en régimen estacionario, encaminado al estudio oceanógrafico de la circulación en las zonas de rompientes y de plataforma continental a bajo coste computacional. El esquema numérico del modelo se basaba en una versión modificada del método de la función de penalización (García, 1990). Su uso práctico puso de manifiesto un conjunto de problemas característicos de códigos similares a éste (García et al., 1990; Espino et al.; 1992), cuyo denominador común es el no cumplimiento de la condición de incompresibilidad (Pelletier et al., 1989). Por otro lado, la elección de elementos Ql/PO para "abaratar" el coste de las soluciones numéricas planteaba, además de inconvenientes de tipo teórico, restricciones en cuanto a la bondad de los campos de presión (o altura de la superficie libre) calculadas por el modelo. En esta memoria se pretende desarrollar um modelo quasi-3D en elementos finitos que elimine los problemas que limitan la aplicabilidad/de ANASTASE. En segundo lugar, se investigan, haciendo uso del nuevo código, rasgos de la circulación general inducida por el viento en dos regiones con interés oceanógrafico: El Golfo de St. Jordi (Mediterráneo Occidental) y el Estrecho de Bransfield (Antártida).

This thesis is devoted to the numerical analysis of mesh-free methods and, in particular, to the study of the possible advantages of the EFG (Element Free Galerkin) mesh-free method against the well-known FE (Finite Element) method. More precisely, the EFG method and the FE method behavior are compared in two particular interesting problems: (1) analysis of volumetric locking in mechanical problems and (2) accurate resolution of transient convection dominated problems. In both cases the good properties and possibilities of mesh-free methods become apparent. However, in several situations the FE method is still more competitive: for instance, the computation of the FE shape functions and its integrals are less costly, and essential boundary conditions can be easily imposed. Thus, in order to take advantage of the good properties of both methods, a mixed interpolation combining FE and EFG is proposed. This formulation can be applied in two useful situations: (i) enrichment of finite elements with EFG, and (ii) coupling of FE and EFG. An a priori error estimate for the first one is presented and proved. Several examples show the applicability of the mixed interpolation in adaptive computations. / Aquesta tesi està dedicada a l'anàlisi numèrica dels mètodes sense malla i, en particular, a l'estudi dels possibles avantatges del mètode EFG (Element Free Galerkin) davant del ben conegut MEF (Mètode dels Elements Finits). Concretament, es comparen el mètode EFG i el MEF en dos problemes concrets d'interès: (1) l'anàlisi del bloqueig volumètric en problemes mecànics i (2) la resolució precisa de problemes transitoris amb convecció dominant. Les bones propietats i possibilitats dels mètodes sense malla es fan evidents en tots dos casos.Tot i així, en varis aspectes el MEF resulta més competitiu: per exemple, el càlcul de les funcions de forma i de les seves integrals es menys costós, i les condicions de contorn essencials es poden imposar fàcilment. Amb l'objectiu d'aprofitar les bones qualitats dels dos mètodes, es proposa una interpolació mixta combinant elements finits y EFG, aplicable en dues situacions: (i) enriquiment d'elements finits amb EFG i (ii) acoblament d'elements finits i EFG. Per al primer cas, es presenta i demostra una cota a priori de l'error. L'aplicabilitat d'aquesta interpolació mixta en processos adaptatius es mostra amb varis exemples. / Esta tesis está dedicada al análisis numérico de los métodos sin malla y, en particular, al estudio de las posibles ventajas del método EFG (Element Free Galerkin) frente al bien conocido MEF (Método de los Elementos Finitos). Concretamente, se comparan el método EFG y el MEF en dos problemas concretos de interés: (1) el análisis del bloqueo volumétrico en problemas mecánicos y (2) la resolución precisa de problemas transitorios con convección dominante. Las buenas propiedades y posibilidades de los métodos sin malla se hacen evidentes en ambos casos.Sin embargo, en varios aspectos el MEF resulta más competitivo: por ejemplo, el cálculo de las funciones de forma y sus integrales es menos costoso, y las condiciones de contorno esenciales se pueden imponer fácilmente. Con el objetivo de aprovechar las buenas cualidades de ambos métodos, se propone una interpolación mixta combinando elementos finitos y EFG, aplicable en dos situaciones: (i) enriquecimiento de elementos finitos con EFG, y (ii) acoplamiento de elementos finitos y EFG. Para el primer caso, se presenta y demuestra una cota a priori del error. La aplicabilidad de esta interpolación mixta en procesos adaptativos se muestra con varios ejemplos.

El presente trabajo de Tesis aborda el problema de la caracterización del flujo de agua en medios porosos heterogéneos mediante el uso de métodos numéricos y soluciones analíticas. En primer lugar, se propone un experimento numérico que simula las técnicas de laboratorio usualmente empleadas para la obtención experimental de las relaciones constitutivas. Con este fin se resuelve la ecuación de flujo no saturado en estado estacionario en dominios bidimensionales y tridimensionales considerando campos de conductividad hidráulica altamente heterogéneos. La linealización del problema se realiza mediante un esquema de Picard y la aproximación numérica mediante métodos híbridos mixtos de elementos finitos. Este procedimiento numérico es utilizado para obtener parámetros hidráulicos efectivos y relaciones constitutivas de rocas fracturadas y rocas heterogéneas con distinto grado de correlación espacial. Se presenta además un análisis comparativo de las diferencias que surgen al representar las heterogeneidades en dos y tres dimensiones. La caracterización hidráulica de rocas fracturadas también es abordada mediante modelos analíticos. Utilizando conceptos de geometría fractal para representar la red de fracturas se derivan dos modelos constitutivos con expresiones analíticas cerradas para una y dos fases (agua y aire). Las expresiones analíticas son analizadas en términos de los parámetros involucrados, y validadas mediante su ajuste con datos experimentales y valores obtenidos con el experimento numérico descrito anteriormente. Por último, se analiza el efecto de la heterogeneidad de la conductividad hidráulica a escala de campo en acuíferos costeros afectados por la marea. Para ello se derivan soluciones analíticas exactas y aproximadas que permiten estimar las fluctuaciones inducidas en pozos para el caso de heterogeneidades lineales de la conductividad hidráulica. Las nuevas soluciones analíticas son comparadas con la correspondiente a un acuífero homogéneo y utilizadas para estimar parámetros hidráulicos a partir de datos experimentales disponibles en la literatura.

Visualizações imersivas são muito valiosas para melhorar a compreensão de uma variedade de fenômenos físicos, que podem ser eventualmente modelados na forma discreta e simulados por computador. Dentre possíveis aplicações podemos utilizar a visualização imersiva como ferramenta pedagógica para percepção aumentada de tópicos complexos, ou como uma poderosa ferramenta de apoio analítico para ajudar os engenheiros a interpretarem os resultados de projetos. Este projeto de pesquisa aborda o uso da visualização imersiva de campos eletromagnéticos, especificamente os campos gerados por redes sem fio, largamente utilizadas no cotidiano como é o caso das redes IEEE 802.11 (Wi-Fi). Para tanto este trabalho propõe métodos novos para visualizar, em tres dimensões, campos eletromagnéticos variantes no tempo e distribuições de parâmetros interessantes relacionados a redes sem fio. Para atingir este objetivo, uma versão aprimorada do método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é desenvolvido: o método FDTD de alta ordem e malha grosseira (Coarse Grid Higher Order FDTD, CGHO-FDTD). Portanto, soluções numéricas muito precisas, mais rápidas, e computacionalmente mais eficientes das equações de Maxwell podem ser obtidas. Os cálculos numéricos podem ser ainda mais rápidos pelo uso de computação paralela em um aglomerado de computadores. As características de domínio de tempo facilitam a criação de instantâneos de campos eletromagnéticos que estão se propagando, e desta maneira é possível criar figuras e animações tridimensionais que podem ser usadas para explicar alguns dos seguintes fenômenos físicos comuns em redes sem fio: difração, reflexão, e atenuação. Para que aumente a percepção física ainda mais, visualizações imersivas são feitas em um ambiente de realidade virtual. Por fim, a ferramenta desenvolvida também pode ser usada para criar distribuições muito detalhadas de parâmetros importantes que afetam o desempenho em uma rede sem fio. É mostrado que simulações de um ambiente fechado para prever a distribuição de potência de uma rede sem fio do tipo IEEE 802.11 (Wi-Fi), estão de acordo com as medidas. / Immersive visualizations are very valuable in order to improve the understanding of a variety of physical phenomena that can be modeled numerically and simulated by computers. Amongst the possible applications, we could utilize immersive visualizations as a pedagogical tool for enhanced perception of complex topics, or as a powerful tool that helps engineers interpret the outcome of simulations. This research project approaches the use of immersive visualizations of electromagnetic fields, especially fields generated by wireless networks widely utilized in the everyday life, as is the case for networks of the type IEEE 802.11 (Wi-Fi). For such a purpose this work proposes new methods to three-dimensionally visualize time-varying electromagnetic fields, and distributions of interesting parameters related to wireless networks. To achieve these objectives, a better version of the finite-difference time-domain (FDTD) method is developed: the Coarse Grid Higher Order FDTD (CGHO-FDTD) method. Thus highly accurate, faster and more computationally efficient numerical solutions of Maxwells equations can be obtained. The numerical calculations are made even faster by the use of parallel computing on a cluster of computers. The characteristics of the time domain facilitate the creation of snapshots of the propagating electromagnetic fields, and in this manner it is possible to create three-dimensional figures and animations that can be used to explain some of the following common physical effects found in wireless networks: diffraction, reflection, and attenuation. To further enhance the perception of the physics, immersive visualizations are carried out in a virtual reality environment. Finally, the developed tool can also be used to create highly detailed distributions of important parameters that affect the performance in wireless networks. It is shown that simulations to predict the power distribution in an indoor wireless network of the type IEEE 802.11 (Wi-Fi), agree very well with measurements.

O modelo numérico GENESIS (Generalized Model for Simulating Shoreline Change) é parte de um sistema de modelagem de linha de praia, o SMS (Shoreline Modeling System), desenvolvido pelo CERC (Coastal Engineering Research Center), U.S.A. É um modelo genérico, determinístico e bidimensional, com grande flexibilidade para ser adaptado a costas abertas, arenosas e sujeitas a intervenção humana. Utilizado na previsão da resposta da linha praia as diversas obras costeiras que podem ser implantadas na mesma. Características estas, que fazem dele uma ferramenta indicada para a o estudo costa do Rio Grande do Sul e para o objetivo deste estudo. A aplicação do modelo de evolução de linha praia – GENESIS neste trabalho, tem como objetivos: calibrar o modelo numérico GENESIS para a costa centro norte do Rio Grande do Sul e avaliar seu uso como ferramenta na previsão de impactos ambientais gerados por obras costeiras, Alem de reproduzir as condições do modelo físico reduzido de 1965 e comparar os resultados entre as simulações matemática e física. O modelo foi aplicado num trecho de linha de praia da região centro norte do Rio Grande do Sul, nas praias de Tramandaí e Imbé. As quais já foram alvo de estudos anteriores através de modelo físico reduzido, em função do desejo deste município em construir molhes na desembocadura do canal da Laguna de Tramandaí. Para implementação do modelo numérico GENESIS foram utilizados dados das posições da linha de praia em três diferentes anos, coletados pelo CECO/UFRGS, dados de onda coletados pelo ondógrafo do IPH/UFRGS, e diversos dados sobre as praias e sua história, retirados da extensa bibliografia publicada sobre a região de estudo. A calibração do modelo foi realizada através das linhas de praia medidas em 1997 e em 2000. O modelo foi considerado calibrado quando o mesmo consegui reproduzir a linha de praia do ano 2000 a partir da linha de 1997, obtendo um erro máximo de 15 m. Foram realizadas simulações que reproduziam as simulações feitas em modelo físico reduzido do IPH em 1965. Através da comparação dos dados de onda utilizados no modelo físico reduzido de 1965 e dos dados de onda coletados pelo ondógrafo em 1996, pudemos observar a importância do uso de um série de dados de onda neste tipo de estudo, bem como, a desenvoltura e limitações do modelo numérico GENESIS na situações geradas.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Se presenta el cálculo para un sistema de impulsión de agua compuesto por un motor de combustión interna siniestrado y una bomba centrífuga conectados directamente. El sistema servirá para transportar agua en un lugar donde no se cuenta con energía eléctrica. Se han realizado los cálculos hidráulicos para el sistema de bombeo de agua, se ha seleccionado el tipo de bomba necesario para la impulsión y los parámetros principales de ella, como potencia requerida, velocidad de rotación y diámetro de impulsor. También se ha efectuado el cálculo termodinámico del motor de combustión interna que moverá la bomba, verificándose si es capaz de generar la potencia requerida por la bomba, además de determinar el gasto horario de combustible y su costo. / Trabajo de suficiencia profesional