Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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Metodología numérica automatizada para la evaluación de la respuesta dinámica de construcciones prehispánicas de piedra de junta seca en el Perú
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-28) Lipa Cusi, Leonel; Tarque Ruiz, Sabino Nicola
El estudio y la conservación del patrimonio de estructuras de piedra es una preocupación mundial, sobre todo, si estas construcciones están ubicadas en zonas sísmicas. En el Perú -debido a su gran variedad cultural e histórica- existe un gran número de construcciones de piedra en diferentes sitios arqueológicos, abarcando varias tipologías constructivas. Lamentablemente, gran parte de estas construcciones aún no han sido evaluadas estructuralmente, por lo que se desconoce su comportamiento estructural. También, no se cuenta con una taxonomía de tipologías estructurales y, por ende, diversas características de las construcciones existentes son desconocidas. Una forma de evaluar el comportamiento dinámico no lineal de estas estructuras es usando una rigurosa -pero rápida- metodología numérica que reproduzca adecuadamente los diferentes mecanismos de fallo, basada en la dinámica de cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de elementos finitos. Como una primera contribución, en este proyecto se presenta una clasificación taxonómica de construcciones prehispánicas de piedra en el Perú a partir de un estudio de campo. A partir de esta taxonomía, se clasificaron diversos sitios arqueológicos de las regiones de Puno y Cusco, y se identificaron las tipologías más recurrentes de estas regiones. Por otro lado, se elaboraron novedosos códigos en Python, para la obtención del modelo geométrico de estructuras de junta seca, a partir de las imágenes tomadas por un cámara, o de una fotografía existente (incluyendo la identificación de las piedras y las juntas por medio de la segmentación de imágenes). Estas rutinas permiten crear el modelo 3D de cada bloque (piedra), ensamblarlos y exportarlos a un programa de análisis numérico para evaluaciones posteriores. Para el desarrollo de la metodología numérica, se propone la dinámica de los cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de los elementos finitos. Cada bloque de piedra se considera como un cuerpo rígido interconectado con otros bloques mediante interfaces no lineales. Esta metodología es validada usando Abaqus, basado en los resultados de ensayos experimentales en esta tesis. En la campaña experimental se construyeron tres muros con bloques de concreto simulando la geometría de estructuras Inca. Los muros fueron construidos sobre una mesa inclinable y fueron ensayados por volteo fuera de su plano. Luego, se elaboraron modelos numéricos de estos ensayos, en los cuales se calibraron las propiedades de contacto con tal que simulen correctamente el comportamiento experimental. Los resultados numéricos del peso, el ángulo de colapso, los desplazamientos relativos en distintos puntos de la estructura y los mecanismos de colapso fueron muy similares a los registrados experimentalmente. Como caso de estudio, se evaluó numéricamente la sección de un muro de contención Inca de Sacsayhuamán, Cusco, frente a diversas acciones sísmicas. El modelo geométrico completo del muro de piedra se obtuvo mediante las rutinas de Python. El terreno contenido detrás del muro se representó por partículas de elementos discretos. Las propiedades del modelo numérico fueron tomadas de la campaña experimental y de calibración, y las frecuencias predominantes de la estructura se obtuvieron por medio del enfoque de vibraciones. Se verificó que la estructura puede soportar adecuadamente estos registros sísmicos escalados hasta una aceleración pico de 0.1 g; sin embargo, la estructura sufre desplazamientos remanentes considerables para registros escalados superiores o iguales a 0.2g. Se concluye que la metodología planteada permite evaluar las estructuras piedra de junta seca de una manera rigurosa, y así conocer si la estructura debe ser intervenida para asegurar su funcionalidad. Se espera que los resultados de esta tesis doctoral puedan contribuir al estudio de las construcciones patrimoniales de piedra, y abrir posibilidades de mejora de la metodología ante diversas configuraciones estructurales.
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Investigation of different compliant mechanisms
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-14) Sea Ordaya, Alexander Javier; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
The use of flexible mechanisms has been increasing in the recent years. This is due of the advantages that offer with respect to rigid mechanism. However, the method to study them become more complicated. Just to mention, the mathematical equations to investigate their behavior are of a higher level, so the assistance of calculation software is required. For this reason an analytical model is developed to facilitate the study of compliant mechanism. To do this, a review of the theory involved in the calculation of compliant mechanism is made and applied in the development of the analytical model. In this case the equations derived from the Euler-Bernoulli Beam Theory were used. In order to have a contrast of results, a software that use the Finite Element Method was used. After the simulation of the structures in both models, the relative errors were obtained. In the case of the simulations to obtain the displacement due to external forces, only the first node of the structures were defined as “Clamp” and the external forces were applied to the rest of the nodes. For this investigation, nine structures were simulated. To obtain a representative relative error, an average of them were calculated, which are 5.69% and 4.28% in the x and y axis respectively. Subsequently, because in all the cases, the first node is fixed, the moment at that node were obtained and compared. The average relative error found was 1.74%. After that, the simulations to obtain the forces due to the rotation of the structures were carried out. To make the simulations, the structures rotate in the range of -0.4 rad and 0.4 rad with steps of 0.1 rad. For this investigation, 4 structures were simulated and 14 parameters were defined. The maximal relative error found was 5.05%. Finally, an study of the behavior of the normalized moment at the first node of the 4 structures when the 14 parameters vary was carried out. In this investigation it was found on one hand that the parameters R1 and R2 from the structure 3 have good influence in the curves but on the other hand, the parameters R1 and α from the structure 4 have almost no influence.
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Desarrollo de modelos de formación de hollín para la identificación vía modelamiento numérico de las principales especies químicas precursoras de hollín en flujos turbulentos reactivos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-01) Valencia Ramírez, René Sebastian; Celis Pérez, César
El modelamiento numérico de procesos de formación de hollín en sistemas de combustión reales representa un gran reto debido a la fuerte interacción entre la turbulencia, la cinética química y la dinámica de las partículas de hollín. Esto significa que tanto los modelos de turbulencia como los de reacción química deben ser lo suficientemente detallados como para producir resultados precisos de las distintas especies químicas que intervienen en los procesos de formación de hollín. También es importante que todas las fases de la formación de hollín sean descritas adecuadamente por los modelos numéricos utilizados, y que exista una herramienta computacional capaz de modelar dichos fenómenos. Sin embargo, en la actualidad no existe ninguna herramienta de libre acceso que incluya algún tipo de modelamiento detallado de hollín, por lo que la mayoría de los estudios sobre el tema han sido realizados en el pasado con herramientas desarrolladas por los propios investigadores. En consecuencia, en este trabajo, utilizando C++ como lenguaje de programación, diferentes modelos detallados de formación de hollín han sido implementados en la herramienta computacional de acceso libre OpenFOAM. Más específicamente, los modelos considerados incluyeron (i) el modelo semi-empírico de 2 ecuaciones (2EQ), y los modelos basados en (ii) el método de momentos con cierre interpolativo (MOMIC), (iii) el método híbrido de momentos (HMOM), y (iv) el método seccional discreto (DSM). Todos los modelos fueron desarrollados y evaluados en los contextos de simulación Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) y large eddy simulation (LES). Además, la fase gaseosa del proceso de combustión fue descrita usando el modelo steady laminar flamelet (SLF), en las simulaciones RANS, y el modelo flamelet/progress variable (FPV), en las simulaciones LES. Las simulaciones numéricas fueron realizadas considerando diferentes especies químicas precursoras de hollín en la fase de nucleación de este. Para la oxidación del hollín, especies oxidantes como el radical hidroxilo (OH) y el oxígeno (O2) fueron consideradas. Para el crecimiento superficial, a su vez, el acetileno (C2H2) y distintos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) fueron considerados. Los diferentes resultados numéricos obtenidos en contextos RANS y LES fueron comparados con los correspondientes datos experimentales del International Sooting Flame Workshop (ISF), correspondiente a las llamas turbulentas (i) Adelaide jet flame EHN 1 y (i) Adeladie bluff-body flame ENB-1. En concreto, los niveles de hollín predichos con cada uno de los modelos de formación de hollín considerados fueron evaluados y comparados con datos experimentales disponibles en la literatura. Los principales resultados obtenidos indican que, utilizando como especies químicas precursoras al benceno (A1) (en el caso RANS) y al pireno (A4) (en el caso LES), el mejor modelo para predecir la formación de hollín en las llamas turbulentas estudiadas es el HMOM. En particular, este modelo es capaz de captar la bimodalidad de la función de distribución del tamaño del hollín y de incluir las cadenas de agregados. También fue comprobado que los principales precursores del hollín son los PAH, y que el campo medio de estos no varía significativamente de uno a otro. Por lo tanto, utilizando un adecuado factor de adherencia, la importancia del PAH particular utilizado en la nucleación disminuye. Finalmente, los resultados indicaron también que el costo computacional asociado a cada modelo es un factor limitante. Así, el elevado costo computacional del modelo DSM no justifica su uso en llamas turbulentas. De esta forma, en términos de costo computacional, la mejor opción para las llamas estudiadas es también el modelo HMOM.
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Análisis numérico de la estructura del flujo turbulento inerte en la estela cercana de un quemador tipo bluff-body circular usando herramientas computacionales de código abierto
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-12-06) Franco Estrada, Ricardo; Celis Perez, Cesar
El correcto modelamiento de flujos turbulentos representa un reto en la ingeniería hasta el día de hoy. El modelamiento de la combustión turbulenta resulta aún más complejo, debido a la interacción entre la cinética química y la turbulencia. El entendimiento del proceso de combustión turbulenta es clave en el desarrollo de quemadores, ya que deben ser diseñados para brindar una llama estable. Un mecanismo de estabilización ampliamente empleado es el de la llama recirculante. El propósito del presente trabajo es caracterizar numéricamente el flujo turbulento inerte presente en la estela cercana en un quemador tipo bluff-body utilizando herramientas CFD de fuente abierta. Los resultados numéricos son comparados y validados con mediciones experimentales realizadas en la PUC-Rio. Cuatro abordajes numéricos son estudiados: (i) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), (ii) Large Eddy Simulation (LES), (iii) Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES). El primero consiste en resolver valores promedios de las cantidades físicas y modelar las varianzas. El segundo consiste en filtrar espacialmente y resolver directamente los vórtices turbulentos grandes, mientras que se modelan los más pequeños. El tercero y el cuarto están basados en una técnica híbrida entre RANS y LES. Para producir los resultados numéricos LES, DDES e IDDES se realizan promedios tanto temporales como espaciales en la dirección azimutal para reducir el costo computacional de las simulaciones, aprovechando la simetría del flujo alrededor del eje. Luego, la sensibilidad a la malla es evaluada utilizando el método de autocorrelaciones espaciales, nuevamente aplicando un promedio azimutal. Estos promedios implican una transformación de coordenadas de cartesianas a cilíndricas. Finalmente, los resultados finales muestran que la técnica más apta para este caso es el LES, seguido por las técnicas híbridas. Si bien el abordaje RANS muestra un acercamiento cualitativo a los campos de velocidad experimental, este se aleja en la estructura turbulenta del flujo, siendo el que más diverge de los resultados experimentales.
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Desarrollo de modelos de turbulencia LES utilizados en simulaciones numéricas de flujos turbulentos complejos presentes en la industria minera
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-28) Córdova Acuña, Jhon David; Celis Pérez, César
En el Perú, la minería es una actividad extractiva que permite mantener la estabilidad económica del país. En la actualidad, aproximadamente, un tercio del consumo eléctrico nacional proviene del sector minero, el cual es mayoritariamente utilizado para el transporte y molienda de pulpas minerales en plantas concentradoras de mineral. Por lo tanto, la minería como actividad económica demanda una gran cantidad de recursos energéticos, cuya generación origina impactos negativos en la salud y el medio ambiente. Así, la determinación de condiciones operativas de plantas de concentración que permitan reducir el consumo de energía asociado es de particular interés para la industria. En la práctica, el transporte y molienda de pulpas minerales involucra flujos turbulentos de fluidos no-Newtonianos. Por lo tanto, simulaciones numéricas de estos flujos complejos deben ser capaces de describir adecuadamente el fenómeno de la turbulencia. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar modelos de turbulencia tipo LES (simulación de grandes escalas) para estos flujos complejos, considerando el comportamiento reológico de las pulpas minerales. En consecuencia, a fin de describir adecuadamente el modelamiento numérico de estos flujos de interés vía LES, trabajos anteriores involucrando flujos de fluidos no- Newtonianos son inicialmente revisados. Luego, los modelos de turbulencia LES son implementados en una herramienta computacional (CFLOWSS) actualmente en desarrollo. Con los modelos implementados, resultados de flujos turbulentos Newtonianos obtenidos en una configuración clásica de placas planas son primero comparados con otros disponibles en la literatura. Finalmente, para evaluar el efecto de la reología sobre las características turbulentas del flujo, flujos turbulentos no-Newtonianos como aquellos caracterizando el transporte de pulpas minerales son numéricamente simulados.
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Modelamiento numérico de flujo reactivo turbulento en un quemador tipo bluff-body usando el modelo de combustión EDC
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-15) Manrique De la Cruz, Edward Javier; Celis Pérez, Cesar
La combustión representa en la actualidad una de las principales fuentes de generación de energía en el mundo. A pesar de las ventajas significativas de los procesos de combustión, estos traen consigo un problema crítico relacionado con la emisión de contaminantes que impactan directamente en la salud y el medio ambiente. Estudios continuos son por lo tanto requeridos para mejorar la eficiencia de los sistemas de combustión existentes y reducir los efectos negativos de los procesos de combustión. El estudio numérico de una llama difusiva turbulenta en un quemador tipo bluff-body, usando OpenFOAM como herramienta computacional, es realizado en este trabajo. El modelamiento numérico es realizado utilizando un abordaje basado en la resolución de las ecuaciones Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). El modelo de combustión usado es el Eddy Dissipation Concept (EDC). GRI-MECH 3.0 es utilizado a su vez como el mecanismo describiendo la cinética química del proceso. La turbulencia es tratada con el modelo RANS k-omega y la radiación con el modelo de aproximación P-1. La malla computacional incluye 900 mil elementos, la cual permite describir razonablemente bien el flujo en la estela próxima al bluff-body. Los resultados numéricos obtenidos son comparados con datos experimentales disponibles de campos de velocidad, tensores de Reynolds y perfiles de OH. Las referidas comparaciones enfatizan que hay una concordancia aceptable entre los resultados obtenidos de las simulaciones numéricas y los valores de los parámetros medidos experimentalmente. Esto implica que el modelo de combustión EDC puede ser utilizado para caracterizar el flujo reactivo turbulento en configuraciones de quemadores como los analizados en este trabajo.
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Modelamiento numérico de la vibración inducida por flujo en una tubería horizontal que transporta flujo bifásico turbulento agua – aire
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-03-26) Abarca Mora, Daniel; Franco Rodríguez, Rosendo
En el presente trabajo se realiza un análisis numérico de vibración inducida por flujo (FIV) sobre una tubería horizontal que transporta flujo bifásico agua-aire. Para el estudio del fluido se consideró un dominio de estudio de 3m de longitud en el que se analizaron diferentes modelos de turbulencia con la finalidad de seleccionar el más adecuado para el estudio FIV. Se tomó como criterio de comparación el comportamiento de la presión variable sobre la pared de la tubería. Los resultados obtenidos muestran que el modelo RANS K-ω SST es capaz de representar con buena precisión el comportamiento del flujo bifásico analizado, pues capta los patrones de flujo y las fluctuaciones de presión en concordancia con resultados experimentales reportados en la literatura, por lo que fue seleccionado para el análisis FIV. Seguidamente se procedió a determinar el método de análisis de vibración más adecuado para el objeto en estudio (tubería), en el cual se consideró un dominio de estudio de la tubería de 1.53 m de longitud, empotrada en ambos extremos. Es así que se determinó que el análisis dinámico transitorio acoplado bidireccional de interacción fluido-estructura (FSI), que contempla los efectos del campo de fluidos sobre el campo estructural y viceversa, representa de manera adecuada el fenómeno en estudio por considerar que son los esfuerzos, desplazamientos, aceleraciones y frecuencias las variables a determinarse en este análisis. Para las condiciones de flujo analizadas se captaron vibraciones, desplazamientos en el rango de -48 μm a 18 μm, aceleraciones en el rango de -0.07 m/s2 a 0.8 m/s2 y frecuencias máximas en el rango de 10 Hz a 35 Hz.
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Resolución de la ecuación de advección lineal unidimensional por un método de volúmenes finitos compacto de alto orden
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-02-12) Chávez Pacheco, Xyoby; Casavilca Silva, Juan Eduardo
Los métodos numéricos de alto orden, necesarios para la discretización espacial, son una de las áreas más activas del campo de la dinámica de fluidos computacional (CFD en sus siglas en inglés). Dentro de estos, los Métodos de Volúmenes Finitos (MVF) han encontrado difcultades en la implementación de los procesos de reconstrucción. En el presente trabajo presentamos e implementamos en Python un novedoso proceso de reconstrucción compacto de alto orden propuesto por Q. Wang [22]. La novedad yace en que el orden alto es alcanzado usando un estencil compacto; es decir, usando únicamente celdas vecinas. En este proceso se obtiene un conjunto de relaciones que sirven para obtener los coeficientes de los polinomios de reconstrucción sobre los volúmenes de control de interés preservando sus valores promedios y el de sus derivadas. Con estas relaciones obtenemos un sistema lineal sobredeterminado que al ajustarse por mínimos cuadrados resultan en un sistema tridiagonal por bloques para el caso de una ecuación de advección 1D. Para esta ecuación de advección usamos además el Análisis de Fourier para examinar los números de onda modificados por el MVF compacto. La reconstrucción incluye parámetros que son optimizados para mejorar las propiedades de dispersión/disipación. Así mismo, el análisis de estabilidad de von Neumann nos permite estimar el número CFL (Courant Friedrich Levy) máximo para dos métodos de Runge-Kutta. Finalmente, validamos tanto los órdenes de convergencia de la combinación del MVF compacto con dos esquemas de Runge-Kutta como los parámetros óptimos de los esquemas de reconstrucción.
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Artificial tactile sensors for surface texture detection-finite element models and numerical treatment
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Darnieder, Maximilian; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Behn, Carsten
The biological example of vibrissa-type sensors in the animal realm is attributed with impressive sensing capabilities. A recently discovered ability is the surface discrimination task. Preceding research on the topic elaborated certain hypotheses for the functionality of the sensor. The scientiﬁc work is predominantly based on an empirical approach closely related to the biological example. Complex and highly nonlinear mechanical interrelations and tribological aspects of the contact frequently remain unconsidered. In the interplay between the properties of the biological example and the desired technical realization of the sensor concept, the present thesis incrementally develops a complex mechanical model. Its purely numerical treatment is based on the ﬁnite element method framed in the software package ANSYS. Following three modeling stages, the nonlinear structural model is successively implemented ﬁrstly enhancing the contact formulation and secondly including dynamic eﬀects in the computation. The attributes of the biological example like elastic support, pre-curvature and conicity are incorporated and their eﬀects are related to the desired sensor function. Beside the characteristic of the sensor system, elaborated through parameter studies, special emphasis is placed on the determination of the working range and its limiting borderlines as well as the uncovering of problematic aspects of the concept. The complex picture of the static behavior of the sensor system is complemented by a ﬁrst dynamic calculation in close proximity to an experiment, which is conducted in parallel. The juxtaposition of the outcomes are interpreted and a proposal for a measurement strategy is outlined.

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