Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Assessment of the mechanical and environmental behavior of diesel engines operating with biodiesel mixtures

ABSTRACT Biodiesel is one of the best renewable fuels to reduce dependence on petroleum derivatives. The objective of this work is to evaluate the mechanical and environmental performance in compression ignition engines with the use of biodiesel in proportions of 5 % (B5), 15 % (B15), and mixtures with additive B5A and B15A, through the experimentation and use of automotive measuring equipment, for mass application in automotive vehicles. The methodology applied is based on the development of two stages; the first is the preparation of the mixtures to be used in the research with the corresponding diesel/biodiesel percentage for each, and the second is the analysis of mechanical and environmental behavior through the use of properly calibrated and updated diagnostic equipment. The results show that the B5 mixture shows the best values, managing to maintain power and torque with non-significant decreases compared to diesel, with averages of 1.1 % and 0.3 %, respectively. As the percentage of biodiesel increases, the opacity value decreases from 44.8 % with B15 and 59.3 % with B15A. In relation to exhaust gases, additive mixtures show the most significant reduction in CO2, CO, and HC emissions, while NOx emissions rise slightly as biodiesel concentration increases, but statistically, it is not significant.

RESUMEN El biodiésel es uno de los combustibles renovables con mejores alternativas para disminuir la dependencia de los derivados del petróleo. El objetivo del trabajo es evaluar el desempeño mecánico y ambiental en motores de encendido a compresión con el uso de biodiésel en proporciones del 5% (B5), 15% (B15) y mezclas con aditivo B5A y B15A, mediante la experimentación y uso de equipos de medición automotriz, para su aplicación masiva en los vehículos automotrices. La metodología aplicada se basa en el desarrollo de dos etapas; la primera consiste en la preparación de las mezclas a utilizar en la investigación con el porcentaje de diésel/biodiésel correspondiente para cada una, y la segunda el análisis del comportamiento mecánico y ambiental mediante el uso de equipos de diagnóstico debidamente calibrados y actualizados. En los resultados se obtiene que la mezcla B5 muestra los mejores valores, logrando mantener la potencia y torque con disminuciones no significativas respecto al diésel con promedios de 1.1% y 0.3%, respectivamente. A medida que aumenta el porcentaje de biodiésel, se reduce el valor de opacidad de 44.8% con B15 y 59.3% con B15A. En relación a los gases de escape, las mezclas con aditivos muestran la mayor reducción en las emisiones de CO2, CO y HC, mientras que las emisiones de NOx se elevan ligeramente a medida que aumenta la concentración de biodiésel, pero estadísticamente no es significativo.

CFD modeling and modal analysis for research of energy harvesters by wind loads

ABSTRACT This work aims at coupling computational fluid dynamics (CFD) and modal analysis (FEM) to simulate energy harvesting of wind loads to produce electrical energy by piezoelectric effect. To complement this objective, CFD-FEM simulation was performed by means of SolidWorks® 2021 add-ins, starting from the generation of the virtual model, computational domain definition, and imposition of wind loads, boundary conditions, and model discretization, by means of a mesh comprising a total of 84 709 nodes and 50 157 high order quadratic elements of 1 mm size and finally a mesh calibration was performed. The results showed that the section near the clamping base concentrated the highest pressures, regardless of the simulated velocity (3 to 21 m/s). The maximum velocity caused a pressure over the impact zone of 101 716 Pa, a relative pressure of 391.75 Pa, and shear stress of 4.78 Pa. The natural frequencies of vibration using the CFD output, range from 69 to 99 Hz. The direction of wind action is defined as the direction of piezoelectric placement, specifically near the base where the maximum effective voltage output (6.79 V) is obtained which, with an external resistance of 10 and 20 MΩ, produces an electrical power of 4.62 and 2.31 µW, respectively.

RESUMEN Este trabajo tiene como objetivo el acoplamiento de la dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis modal (FEM) para simular la cosecha de energía de cargas de viento para producir energía eléctrica por efecto piezoeléctrico. Para complementar dicho objetivo, se realizó la simulación mediante CFD-FEM con los complementos de SolidWorks® 2021, que partió de la generación del modelo virtual, definición del dominio computacional e imposición de cargas de vientos, condiciones de frontera, y discretización del modelo, mediante un mallado que comprendió un total de 84 709 nodos y 50 157 elementos cuadráticos de alto orden de 1 mm de tamaño y finalmente se realizó una calibración de malla. Los resultados mostraron que la sección cercana a la base de sujeción se concentran las mayores presiones, independientemente de la velocidad simulada (3 a 21 m/s). La velocidad máxima provoco una presión sobre la zona de impacto de 101 716 Pa, una presión relativa de 391.75 Pa y un esfuerzo cortante de 4.78 Pa. Las frecuencias naturales de vibración utilizando la salida CFD, oscilan de 69 a 99 Hz. La dirección de acción del viento se define como la dirección de colocación del piezoeléctrico, específicamente cerca de la base donde se obtiene la máxima salida de voltaje eficaz (6.79 V) que con una resistencia externa de 10 y 20 MΩ, produce una potencia eléctrica de 4.62 y 2.31 µW, respectivamente.

Heat flow modeling in the alkaline activation process of fly ash

ABSTRACT Cement production plays an important role in strengthening the infrastructure of growing countries such as Colombia. However, the production of this material has a high energy cost and contributes to the emission of large amounts of CO2. To address these environmental concerns, it is essential to explore alternative materials that can partially or completely replace traditional cement. Alkaline activated cement (AAC) has emerged as a promising candidate in this regard. Due to this, it is necessary to understand the process of alkaline activation and the variables that influence it. This research proposes a phenomenological-based semi-physical model, which predicts the performance of some variables that control alkaline activation: activator concentration (NaOH), heat flow, and degree of reaction. The model results show that with the increment of the activator concentration, the degree of reaction also increases. Furthermore, the model has an accurate response compared with the Freisleben-Hansen model. The integral square error criterion (ISE) was used in this comparison.

RESUMEN La producción de cemento juega un papel importante en el fortalecimiento de la infraestructura de un país en pleno crecimiento como lo es Colombia. Sin embargo, la producción de este material tiene un alto costo energético y contribuye a la emisión de grandes cantidades de CO2. Para abordar estas preocupaciones ambientales, es esencial explorar materiales alternativos que puedan reemplazar parcial o completamente al cemento tradicional. El cemento alcalino activado (AAC) se ha convertido en un candidato prometedor en este sentido. Por ello, es necesario comprender el proceso de activación alcalina y las variables que influyen en él. En esta investigación se propone un modelo semifísico de base fenomenológica, el cual predice el desempeño de algunas variables que controlan la activación alcalina: concentración del activador (NaOH), el flujo de calor y el grado de reacción. Los resultados del modelo indican que con el incremento del activador alcalino (NaOH) el grado de reacción también se incrementa. El modelo presenta resultados precisos comparados con el desempeño del modelo propuesto por Freisleben-Hansen. En esta comparación se utilizó el criterio de error cuadrado integral (ISE).

Explicit pipe friction factor equations: evaluation, classification, and proposal

ABSTRACT The Colebrook equation has been used to estimate the friction factor (f) in turbulent fluids. In this regard, many equations have been proposed to eliminate the iterative process of the Colebrook equation. The goal of this article was to perform an evaluation, classification, and proposal of the friction factor for better development of hydraulic projects. In this study, Gene Expression Programming (GEP), Newton-Raphson, and Python algorithms were applied. The accuracy and model selection were performed with the Maximum Relative Error (∆f/f), Percentage Standard Deviation (PSD), Model Selection Criterion (MSC), and Akaike Information Criterion (AIC). Of the 30 equations evaluated, the Vatankhah equation was the most accurate and simplest to obtain the friction factor with a classification of very high, reaching a value of ∆f/f<0.5% and 1.5<PSD<1.6. A new equation was formulated to obtain the explicit f with fast convergence and accuracy. It was concluded that the combination of GEP, error theory, and selection criteria provides a more reliable and strengthened model.

RESUMEN La ecuación de Colebrook se ha utilizado para estimar el factor de fricción (f) en fluidos turbulentos. En este sentido, se han propuesto varias ecuaciones para eliminar el proceso iterativo de la ecuación Colebrook. El objetivo de este artículo fue realizar una evaluación, clasificación y propuesta del factor de fricción para un mejor desarrollo de proyectos hidráulicos. En este estudio, se aplicaron los algoritmos de programación de expresión génica (GEP), Newton-Raphson y Python. La precisión y la selección del modelo se realizaron con el Máximo Error Relativo (∆f/f), Porcentaje de Desviación Estándar (PSD), Criterio de Selección del Modelo (MSC) y Criterio de Información de Akaike (AIC). De las 30 ecuaciones evaluadas, la ecuación de Vatankhah fue la más precisa y sencilla para obtener el factor de fricción con una clasificación de muy alta, alcanzó un valor de ∆f/f<0.5% y 1.5<PSD<1.6. Se formuló una nueva ecuación para obtener el f explícita con rápida convergencia y precisión. Se concluyó que la combinación de GEP, teoría del error y criterios de selección proporciona un modelo más confiable y fortalecido.

Reciclacentros: a sustainable municipal solid waste management initiative in a Mexican city

ABSTRACT Due to the increase in the generation of municipal solid waste and its impact on the environment and health, governments have been overburdened by its impact. Therefore, they have developed initiatives for waste disposal options in which citizens are involved. For that reason, this article aims to identify the population sector that participates in the separation of municipal solid waste and goes to the collection centers, as well as to characterize waste in three points known as Reciclacentros in the city of Hermosillo, Sonora. For this purpose, surveys were applied, selecting the respondents in a non-probabilistic way. In the characterization, the amount of waste received at each point was weighed. The data obtained were analyzed through a non-parametric Kruskal - Wallis test with 95% confidence (p<0.05). It was found that the people going to the Reciclacentros have an average monthly income of more than 30 thousand Mexican pesos, mostly young adult women between 25 and 44 years old, with the highest participation. In addition, the collection center identified as R3 presented a significantly higher difference in waste received with respect to the other collection centers in the period evaluated (23 t). Cardboard and paper, plastic, and glass are the most recovered waste in the city.

RESUMEN Como consecuencia del aumento en la generación de residuos sólidos urbanos y su impacto en el medio ambiente y la salud, los gobiernos se han visto rebasados por sus impactos; por lo que han desarrollado iniciativas para el aprovechamiento de residuos en la que se involucra a la ciudadanía. Por lo tanto, este trabajo de investigación se plantea el identificar al sector poblacional que participa en la separación y entrega de residuos sólidos urbanos; así como caracterizar éstos en tres puntos denominados reciclacentros de la ciudad de Hermosillo, Sonora. Para ello, se aplicaron encuestas, seleccionando de forma no probabilística a los encuestados. En la caracterización, se pesó la cantidad de residuos recibidos en cada punto. Las cantidades obtenidas se analizaron a través de la prueba no paramétrica Kruskal - Wallis con una confianza del 95% (p<0.05). Se encontró que las personas que acuden a los reciclacentros tienen un promedio de ingresos mensual superior a los 30 mil pesos mexicanos, siendo en su mayoría mujeres adultas jóvenes de entre 25 a 44 años las de mayor participación. Además, el reciclacentro identificado como R3 presentó una diferencia significativa superior de residuos recibidos con respecto a los otros reciclacentros en el periodo evaluado (23 t); el cartón y papel, plástico y vidrio son los residuos más recuperados en la ciudad.

Performance of an Archimedes screw turbine with spiral configuration for hydrokinetic applications

ABSTRACT The performance of an Archimedes spiral turbine (AST) for hydrokinetic applications was examined using a three-dimensional unsteady numerical model utilizing the six degrees of freedom (6-DOF) solver that is available in ANSYs Fluent software. From the computational fluid dynamics (CFD) simulations, the power coefficient (Cp) curve was estimated. This curve was compared with the curve of an Archimedes screw hydrokinetic turbine (ASHT) reported in the literature. The ASHT was found to be more efficient than the AST for electricity generation. The highest value of Cp for the AST was 0.337, which is a relatively high value in comparison with that of other types of hydrokinetic turbines. The results calculated from the CFD for the AST were compared with an experimental study reported for wind applications.

RESUMEN El rendimiento de una turbina de Arquímedes en espiral (AST, por sus siglas en inglés) para aplicaciones hidrocinéticas se examinó utilizando un modelo numérico transitorio tridimensional utilizando un solucionador de seis grados de libertad (6-DOF, por sus siglas en inglés) disponible en el software ANSYs Fluent. A partir de las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), se estimó la curva del coeficiente de potencia (Cp). Esta curva se comparó con la curva de Cp de una turbina hidrocinética tipo tornillo de Arquímedes (ASHT, por sus siglas en inglés) disponible en la literatura. Se encontró que la ASHT es más eficiente que la AST para la generación de electricidad. El valor más alto de Cp para la AST fue 0.337, lo cual es un valor relativamente alto en comparación con el obtenido por otros tipos de turbinas hidrocinéticas. Los resultados calculados a partir de CFD para la AST fueron comparados con los obtenidos del estudio experimental reportado para aplicaciones eólicas.

DHE: A tool to characterize higher education dropout phenomenon

ABSTRACT The field of academic analytics emerged in higher education institutions (HEI) because of developments in database technologies and the generalization of data-mining practices and business intelligence tools. We have designed and implemented a dashboard called ADHE (Academic Analytical Dashboard in Higher Education) for a Colombian higher education institution. The purpose of ADHE is to help administrators of academic programs in their decision-making process regarding the analysis of the phenomenon of student dropout. We used the pipeline methodology for processing large volumes of data was used, which is based on five phases: data acquisition, integration, cleaning, transformation, and visualization. All phases were carried out in the R programming language using academic information sources from the Faculty of Engineering of the Universidad de Antioquia and the Colombian Institute for the Evaluation of Education. The dashboard ADHE is open for free and can be consulted at: https://fhernanb.shinyapps.io/AppPermanencia/. The main findings were that social stratum, gender, and type of high school are associated with the student dropout phenomenon. Furthermore, in social stratum 1, male students and public high schools tend to have a higher student dropout proportion. Additionally, we conclude that admission to engineering programs requires a balance of qualitative and quantitative abilities. The dashboard ADHE should be used to help students, parents, teachers, and administrators understand student dropout dynamics.

RESUMEN El área de analítica académica emergió en instituciones de educación superior por causa del desarrollo de la tecnología en la recolección de información. En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un Dashboard de analítica académica en una institución de educación superior de Colombia para apoyar el proceso de toma de decisiones de los administradores de programas académicos con relación a la deserción. Se empleó la metodología pipeline de procesamiento de grandes volúmenes de datos la cual está basada en cinco fases: adquisición, integración, limpieza, transformación y visualización de datos. Todas las fases se llevaron a cabo en el lenguaje de programación R utilizando fuentes de información académica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia y del Instituto Colombiano para la Evaluación de la Educación. El dashboard ADHE es de acceso libre y se puede consultar en https://fhernanb.shinyapps.io/AppPermanencia/. Los principales resultados obtenidos fueron que el estrato socioeconómico, el género y el tipo de colegio están asociados con el fenómeno de deserción. Se encontró que el estrato social 1, los estudiantes masculinos y el tipo de colegio público tienen las proporciones de deserción más altas. Además, concluimos que la admisión a los programas de ingeniería requieren un balance en habilidades cualitativas y cuantitativas. El dashboard ADHE podría ser usado por estudiantes, padres de familia, profesores y administradores para entender la dinámica de la deserción estudiantil.

Unified matrix for environmental impact assessment applied to water resources, Chicamocha River case study

ABSTRACT Environmental Impact Assessment - EIA makes a preventive and corrective study possible to avoid damages resulting from anthropogenic activities. Different methodologies are used for implementing EIA considering professional criteria and applying qualitative and quantitative parameters; however, for water resources, the methodologies that allow a deep analysis are limited. For this reason, the goal of the study is to design a tool for Environmental Impact Assessment applied to the Vado-Castro sector through the Transparency Overlay Methods, Leopold, and Battelle-Columbus. The methods' development was based on a diagnosis and monitoring of the water resource, articulating the characterization and quantification of the environmental impacts. Finally, a unified standard methodological tool was formulated which is applicable to the water resource sector and considers all the necessary criteria when carrying out a comprehensive EIA, as it is possible to demonstrate its applicability to the case of the Chicamocha River tributary area. Thus, the unified matrix becomes a fundamental tool to portray environmental public politics, providing means to recognize the current environmental conditions of water resources affected by anthropic activities. The results obtained will allow this research to be used as a reference source for academic and technical studies that require evaluating water resource effects, and as a tool that can be applied to another body of water.

RESUMEN La evaluación de Impacto Ambiental - EIA posibilita un estudio preventivo y correctivo para evitar daños derivados de actividades antrópicas. Para la implementación de la EIA se utilizan diferentes metodologías tomando en cuenta criterios profesionales y la aplicación de parámetros cualitativos y cuantitativos, sin embargo, para el recurso hídrico las metodologías que permiten un análisis profundo son limitadas. Por ello, el objetivo del estudio es diseñar una herramienta de Evaluación de Impacto Ambiental aplicada al sector Vado-Castro a través de los Métodos de Superposición de Transparencia, Leopold y Battelle-Columbus. El desarrollo de los métodos se basó en un diagnóstico y monitoreo del recurso hídrico, articulando la caracterización y cuantificación de los impactos ambientales. Finalmente, se formuló una herramienta metodológica estándar unificada, aplicable al sector de recursos hídricos y que considera todos los criterios necesarios a la hora de realizar una EIA integral, ya que es posible demostrar su aplicabilidad al caso de la zona afluente del río Chicamocha. Así, la matriz unificada se convierte en una herramienta fundamental para retratar las políticas públicas ambientales, proporcionando medios para reconocer las condiciones ambientales actuales de los recursos hídricos afectados por actividades antrópicas. Los resultados obtenidos permitirán que esta investigación sea utilizada como fuente de referencia para estudios académicos y técnicos que requieran evaluar los efectos de los recursos hídricos, y como una herramienta que pueda ser aplicada a otro cuerpo de agua.

Including operational costs in warehouse location problems: A case study in USA

ABSTRACT There is vast research on particular aspects of warehouse design - layout, material handling, order picking, and operating policies - when, in fact, the decisions involved in the process are interrelated. In this paper, we develop an engineering economics framework for warehouse operations that decomposes the cost structure of the operation and lays out the relationships between them. Our framework decomposes operational costs into four exogenous characteristics (wages, leasing costs, cost of capital, and access to technology) that depend on the geographic location of the warehouse and two operational requirements (throughput and storage capacity). Using these six parameters, and publicly available information, practitioners can estimate the total operational cost of the warehouse for potential locations in facility location analysis, which have been traditionally limited to transportation costs. In our case study, we use our framework to establish a rank of preferable warehouse locations in terms of operational costs among logistics clusters in the United States of America.

RESUMEN Existe una amplia literatura sobre elementos del diseño de almacenes (distribución, manejo de materiales, selección de pedidos y políticas operativas) de manera independiente. Sin embargo, las decisiones involucradas en el proceso están interrelacionadas. En este artículo, desarrollamos un marco de ingeniería económica para operaciones de almacén que descompone la estructura de costos de la operación y establece las relaciones entre ellos. Nuestro marco descompone los costos operativos en cuatro características exógenas (salarios, arrendamiento, costo del capital y acceso a la tecnología) que dependen de la ubicación geográfica del almacén y dos requisitos operativos (capacidad de procesamiento y capacidad de almacenamiento). Usando estos seis parámetros e información pública, los profesionales pueden estimar el costo operativo total del almacén para ubicaciones potenciales en el análisis de localización de instalaciones. En nuestro caso de estudio, usamos nuestro marco para establecer un ranking de ubicaciones preferibles en términos de costos operativos entre los clústeres de logística en los EE. UU.

Use and effect of fly ash in concrete: A literature review

ABSTRACT Concrete production is characterized by a significant demand for energy and raw materials. The construction, maintenance, and demolition of engineering works cause excessive polluting waste that requires costly disposal. For this reason, alternative reusable materials that improve the mechanical properties of concrete, such as fly ash, are currently being investigated as an effective solution to reduce problems related to environmental impact. This paper analyzed 80 articles indexed in different databases such as ScienceDirect, IOPscience, Scielo, Ebsco, Scopus, SpringerLink, ProQuest, Dialnet, and Semanticscholar, which were not older than seven years since publication, to conduct an updated systematic review of the use, effect, and influence of fly ash on concrete. The methodologies and designs used to obtain the optimum percentages of 5, 10, and 15% were reviewed, analyzing mainly the results obtained when fly ash is used in concrete. Finally, according to the review carried out, it was concluded that fly ashes improve the mechanical and physical characteristics of concrete, and that the optimum dosage is 10% in substitution of ordinary Portland cement applied in simple concrete.

RESUMEN La producción de hormigón se caracteriza por una importante demanda de energía y materias primas. La construcción, el mantenimiento y la demolición de obras de ingeniería generan un exceso de residuos contaminantes que requieren una costosa eliminación. Por este motivo, actualmente se están investigando materiales alternativos reutilizables que mejoren las propiedades mecánicas del hormigón, como las cenizas volantes, como solución eficaz para reducir los problemas relacionados con el impacto medioambiental. En esta revisión bibliográfica se analizaron 80 artículos indexados en diferentes bases de datos como ScienceDirect, IOPscience, Scielo, Ebsco, Scopus, SpringerLink, ProQuest, Dialnet y Semanticscholar, cuya antigüedad de publicación no superaba los 7 años, para realizar una revisión sistemática actualizada del uso, efecto e influencia de las cenizas volantes en el hormigón. Se revisaron las metodologías y diseños utilizados para la obtención de los porcentajes óptimos del 5, 10 y 15%, analizando principalmente los resultados obtenidos cuando se utilizan cenizas volantes en el hormigón. Finalmente, según la revisión realizada, se concluyó que las cenizas volantes proporcionan una mejora de las características mecánicas y físicas del hormigón, y que la dosificación óptima es del 10% en sustitución del cemento Portland ordinario aplicado en un hormigón simple.