Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

EDITORIAL

Hydrodynamic behavior of the oscillating water column resonant chamber

RESUMEN Los convertidores de energía de las olas (WEC) pueden ser una opción prometedora para extraer la energía disponible en el mar y los océanos de manera limpia. La columna de agua oscilante (OWC) es uno de los sistemas WEC más conocidos y aplicables. En este documento, se empleó la dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular numéricamente una OWC en la orilla adaptada a las condiciones del Océano Pacífico. Para este propósito, se utilizó el programa ANSYS-Fluent y las ecuaciones de Navier Stokes promediadas de Reynolds (RANS) fueron resueltas a través del programa en dos dimensiones. El esquema de Volumen de Fluido (VOF) y el modelo de viscosidad laminar fueron usados para la descripción de la interfaz entre el agua y el aire, y el modelamiento del fluido, respectivamente. Las olas regulares se generaron utilizando la teoría no lineal de segundo orden de Stokes ajustando directamente como entrada la condición de contorno como una ola de canal abierto y los parámetros de fracción de volumen a través de formulación implícita. La variación de la elevación de la superficie libre de agua y la caída de presión dentro de la cámara de resonancia fueron investigados, los resultados mostraron que para la OWC estudiada, se obtuvo una eficiencia de 0.672.

ABSTRACT Wave energy converters (WEC) may be a promising option for extracting the energy available in the sea and ocean in a clean way. The oscillating water column (OWC) is one of the most well-known and applicable WEC systems. In this work, computational fluid dynamics (CFD) was employed to simulate an OWC at the shore numerically adapted to the Pacific Ocean conditions. For this purpose, ANSYS-Fluent software was used, and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) equations were solved through the program in two dimensions. The Volume of Fluid (VOF) scheme and the laminar viscosity model were used for the description of the water-air interface and the fluid modeling, respectively. The regular waves were generated using Stokes second-order nonlinear theory by directly fitting as input the boundary condition as an open channel wave and the volume fraction parameters through implicit formulation. The variation of the free water surface elevation and the pressure drop inside the resonance chamber were investigated; the results showed that for the studied OWC, an efficiency of 0.672 was obtained.

Performance of ejector refrigeration cycle using a steady flow model

ABSTRACT: A study of an alternative ejector cooling system is proposed in this paper. A mathematical model without irreversibility is developed and simulated. The numerical results are validated with literature data for two working fluids (R134a and R152a). The performance and behavior of the system using conventional refrigerants (HFC’s, HC's) and unconventional (R717, R718) is obtained; the process uses 100 kW of heat available in a waste stream. Finally, the paper explores the reduction of problems associated with the use of conventional refrigerants by introducing the use of R718 (water) as the working fluid of the proposed system.

RESUMEN: Un estudio de un sistema de refrigeración alternativo con eyector es propuesto en este artículo. Se desarrolla y simula un modelo matemático sin irreversibilidades. Se realiza una validación de los resultados numéricos con datos de la literatura para dos fluidos de trabajo (R134a y R152a). El rendimiento y el comportamiento del sistema usando refrigerantes convencionales (HFC, HC) y no convencionales (R717, R718) es estudiado, el proceso utiliza 100 kW de calor disponible en una corriente de desecho. Finalmente, se explora la reducción de los problemas asociados con el uso de refrigerantes convencionales introduciendo el uso de R718 (agua) como el fluido de trabajo del sistema propuesto.

Effect of binder type and application rate on asphalt layer bonding evaluated by LCB test

ABSTRACT: Bonding between asphalt layers is a crucial factor affecting the durability and mechanical response of flexible pavements. The effect of tack coat application on this bonding has been extensively studied, with several factors influencing the degree of bonding achieved. These include the type of tack coat, application rate, temperature, and moisture, among others. This study evaluated the effect of binder type and application rate on the interface shear strength of bituminous layers made of asphalt concrete type MDC-19, using the Laboratorio de Caminos de Barcelona (LCB) shear test. Two types of asphalt emulsions, CRL-1 and CRL-1hm (conventional and modified with polymers, respectively), were used as tack coats at five residual application rates. The results of the study showed that the CRL-1hm tack coat developed a higher shear strength than the CRL-1 tack coat. Additionally, there was a variation in strength with an increase in application rate, leading to the determination of an optimum rate. These findings demonstrate the importance of binder type and application rate in achieving optimal bonding between asphalt layers, with potential benefits for the longevity and performance of pavements. Overall, this research provides valuable insights for pavement engineers seeking to optimize the bonding between asphalt layers. The study highlights the potential of modified emulsions, such as CRL-1hm, and the importance of carefully considering the application rate to achieve the desired bonding performance.

RESUMEN: La adherencia entre las capas de pavimentos asfálticos es crucial para su durabilidad y respuesta mecánica. La aplicación del riego de liga ha sido investigada para mejorar esta adherencia, encontrando diversos factores que influyen en el grado de adherencia logrado, como el tipo de riego, la tasa de aplicación, la temperatura y la humedad, entre otros. En este estudio se evaluó el efecto del tipo de ligante y la tasa de aplicación en la resistencia al corte de la interfase de capas bituminosas fabricadas en concreto asfáltico tipo MDC-19, utilizando el ensayo del Laboratorio de Caminos de Barcelona (LCB). Se utilizaron dos tipos de emulsiones asfálticas, CRL-1 (convencional) y CRL-1hm (modificada con polímeros), como riegos de liga en cinco tasas de aplicación. Los resultados mostraron que el riego CRL-1hm desarrolló una mayor resistencia al corte que el riego CRL-1. Además, hubo una variación en la resistencia con el aumento de la tasa de aplicación, lo que llevó a la determinación de una tasa óptima. Estos hallazgos demuestran la importancia del tipo de ligante y la tasa de aplicación para lograr una unión monolítica entre capas asfálticas, con posibles beneficios para la durabilidad del pavimento. Este estudio proporciona información valiosa para los ingenieros de pavimentos y destaca el potencial de las emulsiones modificadas, como la CRL-1hm, y la importancia de considerar cuidadosamente la tasa de aplicación para lograr la adherencia deseada.

Spatial distribution of δ¹⁸O in rainwater and groundwater to identify areas of recharge in the Colombian Northwest

ABSTRACT: The understanding of the spatiotemporal variability of the water molecule stable isotopes (δ18O and δ2H) in rain and groundwater has been used in hydrogeology to validate recharge zones. In this study, we analyzed the recharge of four aquifer systems located in northwestern Colombia. This region is characterized by highly complex topography, as the Andes Mountain range splits into three branches, two of them included in the study area. The relation in the variation of values of the δ18O between Precipitation (P) and groundwater (GW) was analyzed through the arithmetic expression P/GW; when P/GW is equal or larger than 1, the recharge is direct, and values less than 1 indicate recharge from regional flows. For the purposes of this research, according to statistics criteria, values between 0.98 and 1.02 are considered as 1. It was found that on Bajo Cauca, Occidente and Urabá, the phreatic aquifers are recharged directly with rainwater or after slight evaporation processes, while the recharge of deep aquifers occurs through regional flows. The Valle de Aburrá´s phreatic aquifer is also recharged from distant areas; this occurs because the surface has been impermeabilized by urban processes. The P/GW ratio seems to be useful in identifying recharge processes in regions with higher elevation gradients. In low-lying areas, the applicability of this method should be restricted.

RESUMEN: La comprensión de la variación espacial y temporal de los isótopos estables δ18O y δ2H en la lluvia y el agua subterránea ha sido usada en la hidrogeología para validar zonas de recarga. En este estudio, se realiza un análisis de la recarga para cuatro sistemas acuíferos localizados en el noroeste de Colombia. Esta región se caracteriza por una alta complejidad topográfica, debido a que es cruzada por dos de las tres bifurcaciones de los Andes Colombianos. Se usaron isoscapes para caracterizar mayor la variabilidad espacial de la composición isotópica de las aguas lluvias y subterráneas. La variación del δ18O de las aguas subterráneas (GW) fue analizada respecto a la variación de la precipitación a través de la relación P/GW, cuando el resultado de esta relación es 1 indica recarga directa y valores menores a 1 indican recarga de flujos regionales, para los propósitos de esta investigación, de acuerdo con criterios estadísticos, los valores entre 0.98 y 1.02 son considerados como 1. Se encontró que la mayoría de los acuíferos libres se recargan directamente con agua de lluvia o luego de leves procesos de evaporación mientras que en acuíferos profundos y áreas urbanas ocurre a través de flujos regionales. La relación P/GW parece ser útil para identificar procesos de recarga en las regiones con mayores gradientes de elevación. En áreas bajas, la aplicabilidad de este método estaría restringida.

Emissions and trajectories of atmospheric pollutants from mobile sources in a Colombian intermediate city

ABSTRACT In this study, the emissions of criteria pollutants and greenhouse gases from mobile sources in the main streets of the city of Valledupar were estimated. A vehicular characterization of the streets studied was carried out, and the IVE model was implemented to estimate the emissions generated by automobiles; subsequently, scenarios of atmospheric transport routes of pollutants were analyzed with the HYSPLIT model. The results showed that in the case of pollutant criteria, motorcycles emitted the highest amount of CO and PM10, and private cars the highest SOx and NOx emissions. For GHGs, private cars emitted the highest amount of CO2 and N2O, while motorcycles emitted the highest amount of CH4. The trajectory scenarios for the days of the study were carried out during the peak hours of vehicular circulation, implementing meteorological data from the WRF model. The trajectories were evaluated in rainy periods of 2021 and 2022 and in the dry period of 2022. In the rainy period, it was observed that the transport routes of the pollutants were directed in a greater proportion towards the NE direction and the dry period towards the SE direction. With this, it was possible to determine which areas of the city could be the most affected by vehicle emissions from the roads studied.

RESUMEN En este estudio se estimaron las emisiones de contaminantes criterio y gases de efecto invernadero provenientes de fuentes móviles en las principales vías de la ciudad de Valledupar. Se realizó una caracterización vehicular de las vías estudiadas y se implementó el modelo IVE para estimar las emisiones generadas por los automotores; posteriormente se analizaron escenarios de rutas de transporte atmosférico de los contaminantes con el modelo HYSPLIT. Los resultados mostraron que, en el caso de los contaminantes criterio, las motocicletas emitieron la mayor cantidad de CO y PM10 y los automóviles particulares las emisiones más altas de SOx y NOx. Para los GEI, los automóviles particulares emitieron la mayor cantidad de CO2 y N2O mientras que las motocicletas fueron las que emitieron la mayor cantidad de CH4. Los escenarios de trayectoria para los días de estudio se realizaron en las horas pico de circulación vehicular implementando datos meteorológicos del modelo WRF. Las trayectorias se evaluaron en periodos de lluvia de los años 2021 y 2022 y en un periodo seco del año 2022. En el periodo de lluvia se observó que las rutas de transporte de los contaminantes se dirigían en mayor proporción hacia la dirección NE y en el periodo seco hacia la dirección SE. Con esto se pudo determinar qué áreas de la ciudad pueden ser las más afectadas por las emisiones vehiculares de las vías estudiadas.

Comparative CFD analysis of six VAWT turbines in the Chicamocha Canyon

ABSTRACT: Micro wind power generation through vertical axis wind turbines for low wind velocity in the department of Santander, Colombia, is viable due to the physical characteristics of the region. However, there are crucial factors for the development of a turbine for the region such as turbine typology, robustness, aspect ratios, etc. For this reason, it is a good practice to perform simulations through computational fluid dynamics (CFD) to predict the performance of the turbine in operation. In this context, an analysis of six configurations of a Darrieus-type VAWT turbine with the asymmetric profile DU06W200 and straight blades, which were obtained by an algorithm considering the factors mentioned above was carried out. The height-diameter ratios to be analyzed were 0.25 (with chord lengths of 0.117 and 0.173 m), 0.4 (with chord lengths of 0.0929 and 0.137 m) and 1 (with chord lengths of 0.0587 and 0.0864 m). It can be concluded that with a ratio of 0.25 and a rope length of 0.173 m, it is possible to obtain an average Power Coefficient of 0.31, which is an outstanding value due to the low wind velocity of the region of interest.

RESUMEN: La micro generación de energía eólica a través de turbinas eólicas de eje vertical para bajas velocidades de viento en el departamento de Santander, Colombia es viable, debido a las características físicas de la región. Sin embargo, existen factores cruciales para el desarrollo de una turbina para la región como la tipología de la turbina, solidez, relaciones de aspecto, etc. Por tal motivo, es una buena práctica realizar simulaciones por medio de la dinámica de fluidos computacional (CFD) con el fin de predecir el desempeño que tendrá la turbina en operación. Es por esto, que se realizó un análisis de seis configuraciones de una turbina VAWT tipo Darrieus de álabes rectos utilizando el perfil asimétrico DU06W200 las cuales fueron obtenidas por un algoritmo que tiene en cuenta los factores mencionados con anterioridad. Las relaciones de altura-diámetro a analizar fueron 0,25 (con longitudes de cuerda de 0,117 y 0,173 m), 0,4 (con longitudes de cuerda de 0,0929 y 0,137 m) y 1 (con longitudes de cuerda de 0,0587 y 0,0864 m). Se puede concluir con la relación de 0,25 y una longitud de cuerda de 0,173 m es posible obtener un Coeficiente de Potencia promedio de 0,31 siendo este un valor sobresaliente debido a la baja velocidad de viento de la región de interés.

Contrast between traditional productivity measurement models and a transdisciplinary one

Abstract in this article, a comparison between nine traditional models of productivity measurement and a transdisciplinary model is made. The study includes a description of the characteristics, advantages, and disadvantages of the most used models worldwide by for-profit organizations, as well as those of a new transdisciplinary model. The scientometric and bibliometric analyses are the primary sources in the definition of the representative elements of each model and the particularities that influence the measurement of company productivity. In addition, applied research is used through inquiry to professionals from different areas, businessmen, employees, and researchers related to the manufacturing area, with the aim of obtaining differential information about the models. The results indicate that the use of the total productivity measurement model predominates due to ease of implementation; on the other hand, data envelopment analysis (DEA) is little used because it is strongly impacted when comparing multiple variables; economic models are generally used to estimate government taxes. Finally, the research shows that the generalization of the use of a transdisciplinary model to measure productivity is feasible; however, the model requires an integral structure that allows it to adapt to changing global conditions.

Resumen En este artículo se realiza la comparación entre nueve modelos tradicionales de medición de la productividad y un modelo transdisciplinar. El estudio incluye la descripción de características, bondades y desventajas de los modelos más usados a nivel mundial por las organizaciones con ánimo de lucro; así como las del nuevo modelo transdisciplinar. El análisis cienciométrico y bibliométrico es fuente primaria en la definición de los elementos representativos de cada modelo y de las particularidades que influyen en la medición de la productividad de las empresas; complementariamente, se emplea la investigación aplicada mediante indagación a profesionales de diferentes áreas, empresarios, empleados e investigadores relacionados con el área de manufactura, con el objetivo de obtener información diferencial acerca de los modelos. Los resultados indican que predomina el uso de los modelos de medición parcial y total de la productividad por facilidad de implementación; por otro lado, el análisis envolvente de datos (DEA) muestra alta variabilidad porcentual en los resultados cuando los datos no son homogéneos. Los modelos económicos generalmente sirven para estimar gravámenes gubernamentales y son de difícil entendimiento para algunos empresarios. Finalmente, la investigación muestra que la generalización del uso de un modelo transdisciplinar para medir la productividad es factible; no obstante, el modelo requiere una estructura integral que le permita adaptarse a las cambiantes condiciones globales.

Everything you need to know before working with a pump as a turbine

Abstract Electric power generation is one of the most relevant issues in recent decades. This energy can be obtained through non-renewable sources, renewable sources, and especially non-conventional renewable sources. Within this last category, we can classify the use of a Pump as a turbine (PAT). The pumps are hydraulic machines designed for energy expenditure. Thanks to being reversible machines, PATs can be used in their reverse mode of operation to extract valuable energy from the fluid. However, this use can generate some inconveniences in its process, ranging from assembly, characterization, and hydrodynamic phenomena. This article provides the basic theoretical concepts and operating curves typically used for pumps as turbines. In addition to a global approach to the hydrodynamic phenomena associated with using pumps as turbines, there are cases of vibration, cavitation, and rotating stalls. All this panorama is complemented with some examples of application and economic analysis that ratify the advantages of using pumps as turbines as a reliable source of energy generation.

Resumen La generación de energía eléctrica es uno de los temas más relevantes de las últimas décadas. Esta energía se puede obtener mediante el uso de fuentes no renovables, fuentes renovables y especialmente el uso de fuentes renovables no convencionales. Dentro de esta última categoría podemos clasificar el uso de bombas como turbina. Las bombas son máquinas hidráulicas diseñadas para el gasto energético. Gracias a que son máquinas reversibles, las bombas a modo de turbinas se pueden utilizar en su modo de funcionamiento inverso y extraer energía valiosa del fluido. Sin embargo, este uso puede generar algunos inconvenientes en su proceso, que van desde el montaje, caracterización y fenómenos hidrodinámicos. Este artículo proporciona los conceptos teóricos básicos y las curvas de funcionamiento que normalmente se utilizan para bombas como turbinas. Además de un abordaje global de los fenómenos hidrodinámicos asociados al uso de bombas como turbinas, tal es el caso de la vibración, la cavitación y la pérdida rotatoria. Todo este panorama se complementa con algunos ejemplos de aplicación y análisis económicos que ratifican las ventajas de utilizar bombas como turbinas como fuente confiable de generación de energía.

Regionalization of maximum daily Rainfall in the Boyacá department

ABSTRACT Climate change has generated alterations in hydrometeorological variables behavior, accentuating extreme events, especially those related to precipitation, which is a key phenomenon in the design and planning of territorial hydraulic structures. This research shows the rainfall regionalization in the department of Boyacá, Colombia, through the application of Cluster and Andrews Curve and validation of L-moments, as input for a hydroclimatological characterization that can feed hydrological methods or models in the region, resulting in 8 homogeneous areas of maximum annual precipitation.

RESUMEN El cambio climático ha generado alteraciones en el comportamiento de las variables hidrometeorológicas acentuando los eventos extremos. Esta problemática ha incentivado un incremento en la ocurrencia de eventos macroclimáticos, especialmente los referidos a precipitaciones; fenómenos claves en el ordenamiento territorial y diseño de estructuras hidráulicas. Esta investigación muestra la regionalización de la precipitación en el departamento de Boyacá, Colombia, a través de la aplicación Cluster y Curva de Andrews y validación de L-momentos, como insumo para una caracterización hidroclimatológica que pueda alimentar métodos o modelos hidrológicos en la región, y teniendo como resultado 8 áreas homogéneas de precipitación máxima anual.

Energy and economic characterization of the traditional drying of cocoa beans in greenhouses

Abstract Drying is a crucial step in cocoa production, for storing and reducing grain humidity. In Colombia, particularly in the Antioquia region, solar energy is used in simple structures called marquesinas. In this work, the authors characterized the process energetically by determining its specific energy consumption (SEC, 27793.9 kJ/kg), the thermal efficiency of the system (η, 12.94%), and specific cocoa drying process cost: 2.27 USD$/kg dry,cocoa (approx. 10442COP$/kg dry,cocoa). At the end, with this information, is constructed grain mass loss curve versus time. The drying on the first day was faster than the following days. The main disadvantage of the greenhouse was that the beans gained moisture at night. For this reason, extra energy and time were necessary to remove the additional humidity acquired by the air condensing over the cocoa beans. This phenomenon decreased the thermal efficiency of the processes and increased its drying time.

Resumen El secado es un paso de vital importancia en la producción de cacao, en el cual se reduce la humedad del grano para poder ser almacenado o tratado. En el departamento de Antioquia, en Colombia, el proceso se realiza aprovechando la energía solar en estructuras sencillas conocidas como marquesinas. En este trabajo, se caracterizó el proceso energéticamente determinando el consumo específico de energía (SEC, 27793.9 kJ/kg), la eficiencia térmica del sistema (η, 12.94%), y los costos específicos del proceso de secado de cacao 2.27 USD$/kgcacao,seco (aprox. 10442 COP$/kgcacao,seco). Finalmente, se construyó la curva de pérdida de masa de los granos con respecto al tiempo. Se destaca que el secado en el primer día fue más rápido. La principal desventaja de la marquesina se encuentra en que los granos ganaron humedad durante la noche. Por esto, se empleó al día siguiente energía y tiempo adicional para remover esta agua ganada por condensación sobre los granos de cacao. Este fenómeno disminuyó la eficiencia térmica y aumentó el tiempo de secado.