Ingeniería y Universidad

Detección no invasiva de la cavitación en calles de vórtices

Abstract Objective: This paper introduces a methodology for the non-intrusive detection of von Karman vortex street cavitation. It is based on the cyclostationary analysis of the airborne noise radiated by the collapsing bubbles. Materials and methods: A hydrodynamic profile is mounted in the test section of a high-speed cavitation tunnel, and the phenomenon is reproduced under controlled conditions of flow and pressure. The angle of incidence is kept constant. Flow velocity is varied to regulate the vortex generation frequency, and the pressure is adjusted to control the cavitation onset. High-speed photography is used to confirm the occurrence of cavitation in the core of the vortices. A laser vibrometer pointing to the upper surface of the profile validates the fluid-structure interaction due to the vortex shedding. A microphone is used to sense the sound produced by the phenomenon and transmitted to the environment. Results and discussion: The cyclic coherence showed uncoupled evidence of the periodic detachment of vortices and the presence or absence of cavitation in their cores, reaching values close to 0.7 for specific frequencies. Conclusion: A non-intrusive monitoring approach and a statistical indicator were implemented to allow the diagnosis of such phenomena.

Resumen Objetivo: Este artículo presenta una metodología para la detección no invasiva de calles de vórtices de von Kármán cavitantes. Esta se basa en el análisis cicloestacionario del ruido que produce el colapso de las burbujas. Materiales y imtodos: Se montó un perfil hidrodinámico en la sección de prueba de un túnel de cavitación de alta velocidad y se reprodujo el fenómeno bajo condiciones controladas de flujo y presión. El ángulo de incidencia se mantuvo constante. Con la velocidad del flujo se regula la frecuencia de generación de vórtices; mientras que con la presión se controla la aparición de cavitación. Se utilizó fotografía de alta velocidad para confirmar la aparición de la cavitación en el núcleo de los vórtices. Un vibrómetro láser que apuntaba a la superficie superior del perfil valida la interacción fluido-estructura debida al desprendimiento de vórtices. Se usó un micrófono para registrar el sonido producido por el fenómeno y que se transmite al ambiente. Resultados y discusión: La coherencia cíclica mostró evidencia desacoplada del desprendimiento periódico de vórtices y de la presencia o ausencia de cavitación en sus núcleos, por lo que alcanzó valores cercanos a 0,7 para frecuencias específicas. Conclusión: Se implementó un enfoque de monitoreo no invasivo y un indicador estadístico que permiten el diagnóstico de tales fenómenos.

Producción y caracterización de las propiedades mecánicas y térmicas de poliestireno expandido con material reciclado

Abstract Introduction: Three materials were made with mixtures of virgin expanded polystyrene (EPS) grade S3 and recycled material from multipurpose EPS packaging. Thee latter was subjected to washing and grinding in a blade mill, with percentages by weight of recycled material 10, 15, and 20%. Methodology: The mechanical properties of these materials were evaluated by testing compressive strength and flexural, impact, and thermal properties using the techniques of differential scanning calorimetry and thermogravimetry. Hot plate and steady state temperature profiles in a non-steady state were simulated with Octave 3.6.4. Results: Thee results obtained for the three mixtures showed little variation in the properties of compression, impact, glass transition, and thermal diffusivity with respect to the reference material. The regularity of the decline in mass loss as a function of temperature evidences homogeneity in the samples. Qe flexural strength decreased the maximum failure load compared to the virgin material, and the thermal conductivity exceeded 0.06W/mK, reducing their insulating capacity. Conclusion: Theese materials can be industrially manufactured in order to produce packaging, caissons, and spheres, among other things.

Resumen Introducción: En este trabajo se fabricaron tres materiales con mezclas de poliestireno expandido (EPS) virgen grado S3 y reciclado proveniente de cajas de EPS multipropósito, las últimas fueron sometidas a lavado y trituración en un molino de aspas, con porcentajes en peso de material reciclado de 10, 15 y 20%. Metodología: Las propiedades mecánicas de estos materiales fueron evaluadas mediante los ensayos de resistencia a compresión, flexión e impacto y las propiedades térmicas mediante las técnicas de calorimetría diferencial de barrido, termogravimetría, plato caliente en régimen estacionario y se simularon los perfiles de temperaturas en régimen no estacionario a través de Octave 3.6.4. Resultados: Los resultados obtenidos en las tres mezclas fabricadas muestran poca variación de las propiedades a compresión, impacto, transición vítrea y difusividad térmica con respecto al material de referencia. La regularidad de las caídas de la pérdida de masa en función de la temperatura evidencia homogeneidad en las muestras. La resistencia a la flexión presenta disminución de la carga máxima de rotura con respecto al material virgen y la conductividad térmica presenta un aumento que supera los 0,06W/mK, disminuyendo su capacidad aislante. Conclusiones: Los materiales fabricados pueden emplearse industrialmente para producir embalaje, casetones y esferas, entre otros.

Modelo VHDL optimizado de un multiplicador en campos finitos

Abstract Introduction: This article presents a finite field multiplier (GF) model, studying the generalized architecture of the LFSR component (linear regression displacement records), in order to generate a concurrent description. Concepts of structural analysis, description of parameterized components, and mathematical treatment of signals have been applied. Method: The design was performed by the tabulation of the terms in the variable time function and the position in the circuit, components of the modular reduction, thus creating an array of combined operations. This model was described in VHDL, for testing behavior and optimization of hardware. Results: The research established the equations for the implementation of the VHDL model in its generic expression with operator concatenation for the hardware configuration. It is estimated that the hardware resources, a level of logical operators, obtained a 7.89% savings in the energy consumption associated with the signal in the multiplier design by the proposed optimization technique. Conclusions: The model simplified the description of parallel circuits with high performance from a mathematical model approach to hardware description. The proposed method contributes to field of optimization in the efficient modeling of advanced logic systems, which can be extrapolated to more complex components.

Resumen Introducción: Este artículo presenta el modelo de un multiplicador en campos finito GF que estudia la arquitectura generalizada del componente LFSR (registros de desplazamiento con realimentación lineal), con el propósito de generar una descripción concurrente, aplicando conceptos de análisis estructural, descripción de componentes parametrizados y tratamiento matemático de señales. Método: El diseño se realizó tabulando los términos en función de las variables tiempo y posición en el circuito, del componente de reducción modular, con lo que se creó una matriz de operaciones combinacionales. Este modelo fue descrito en VHDL, para las pruebas de comportamiento y optimización del hardware. Resultados: La investigación permitió establecer las ecuaciones para la implementación del modelo en VHDL, en su expresión genérica con el operador “concatenación”. Para la configuración de hardware se estimó el consumo de recursos en hardware, a nivel de operadores lógicos y se obtuvo una propuesta eficiente. Así mismo, se obtuvo un 7,89 % de ahorro del consumo de potencia asociada a la señal en el diseño del multiplicador, con la técnica de optimización propuesta. Conclusiones: El modelo desarrollado simplifica la descripción de circuitos paralelos, de alta eficiencia desde un enfoque de modelado matemático para descripción de hardware. El método propuesto muestra sus aportes en materia de optimización en el modelado eficiente de sistemas lógicos avanzados, el cual puede ser extrapolado a componentes más complejos.

Reconstrucción de imágenes espectrales desde medidas compresas usando aperturas codificadas diseñadas y la teoría de estimación de elementos de matrices incompletas

Abstract Introducción: Compressive spectral imaging (CSI) captures spectral information at various spatial locations of a spectral image with few compressed projections. Traditionally, the original scene is recovered by assuming sparsity in some known representation basis. In contrast, the matrix completion techniques (MC) rely on a low-rank structure that avoids using any known representation basis. The coded aperture snapshot spectral imager (CASSI) is a CSI optical architecture that modulates light by using a coded aperture with a pattern that determines the quality of reconstruction. The objective of this paper is to design optimal coded aperture patterns when MC is used to recover a spectral scene from CASSI measurements. Metodología: The patterns are attained by maximizing the distance between the translucent elements, which become more precise measurements given the MC constraints. Resultados: Simulations from different databases show an average improvement of 1 to 9 dBs when the designed patterns are used compared to the conventional random and complementary patterns. Discusión y conclusiones: The proposed approach solves an integer optimization problem with a complexity that is commonly NP-hard but that can be reduced with proper relaxation. Finally, an effective alternative method using coded aperture patterns for MC to solve the inverse compressive spectral imaging problem is presented. for MC to solve the inverse compressive spectral imaging problem is presented.

Resumen Introducción: La adquisición compresiva de imágenes espectrales (CSI) captura información espectral en varios puntos espaciales de una escena con pocas proyecciones comprimidas. La escena original es tradicionalmente recuperada asumiendo baja densidad en alguna base de representación conocida. En contraste, la teoría de estimación de elementos de matrices incompletas (MC) asume una estructura de bajo rango que evita conocer una base de representación. El sistema óptico de adquisición de imágenes espectrales de única captura (CASSI) modula la luz usando una apertura codificada cuyo patrón determina la calidad de la reconstrucción. Por ello, este trabajo propone diseñar patrones óptimos para usar MC en la recuperación de una escena a partir de medidas comprimidas. Metodología: Los patrones diseñados maximizan la distancia entre los elementos translúcidos para generar medidas más adecuadas según las restricciones de MC. Resultados: Simulaciones con diferentes escenas muestran una mejora promedio entre 1-9 dBs cuando los patrones diseñados son usados comparado con los patrones aleatorios y complementarios tradicionales. Discusión y conclusiones: El enfoque propuesto implica resolver un problema de optimización con enteros cuya complejidad es NP-complejo, pero que puede ser relajada y reducida. Finalmente, se propuso una alternativa efectiva para resolver el problema inverso de imágenes espectrales usando patrones diseñados y la técnica MC.

Estimación en tiempo real de algunas propiedades termodinámicas durante un proceso de calentamiento con microondas

Abstract Introduction: This work considered real-time prediction of physicochemical parameters for a sample heated in a uniform electromagnetic field. Methodology: This work initiated with a literature search, which showed a steadily increasing of research works dealing with inverse problems. As a demonstrative model, we estimated the thermal conductivity and the volumetric heat capacity (A sample (with known geometry) was subjected to electromagnetic radiation, generating a uniform and time constant volumetric heat flux within it. Real temperature profile was simulated adding white Gaussian noise to the original data, obtained from the theoretical model. For solving the objective function, simulated annealing and genetic algorithms, along with the traditional Levenberg-Marquardt method were used for comparative purposes. Results: results showed similar findings of all algorithms for three simulation scenarios, as long as the signal-to-noise-ratio sits at least at 30 [dB]. Furthermore, Genetic Algorithms gave acceptable results, and improve the search space of the other two methods. Conclusion: Finally, for practical purposes, the estimation procedure presented here requires both, a good experimental design and a correctly specified electronic instrumentation. If both requirements are satisfied simultaneously, it is possible to estimate these type of parameters on-line, without need for an additional experimental setup.

Resumen Introducción: Este trabajo consideró la predicción en tiempo real de parámetros físicoquímicos de una muestra calentada en un campo electromagnético uniforme. Metodología: Se inició con una búsqueda de literatura observándose el constante crecimiento y aplicación de los problemas inversos. Se estimaron la conductividad y la capacidad calorífica volumétrica (La muestra de geometría conocida, fue sometida a radiación electromagnética lo que generó un flujo volumétrico interno de calor uniforme y constante en el tiempo. El perfil de temperatura real fue simulado adicionando ruido blanco gaussiano a los datos obtenidos del modelo teórico. Para resolver la función objetivo se utilizaron los algoritmos de recocido simulado y algoritmos genéticos junto con el tradicional método de Levenberg-Marquardt para propósitos comparativos. Resultados: Los resultados mostraron que todos los algoritmos utilizados alcanzaron valores similares si la relación de señal a ruido tiene un valor de por lo menos 30 [dB]. Además, los algoritmos genéticos produjeron resultados aceptables y mejoraron el espacio de búsqueda de los otros dos métodos. Conclusión: para propósitos prácticos el proceso de estimación presentado aquí requiere tanto de un buen diseño experimental, como de una instrumentación correctamente especificada. Si ambos requerimientos se satisfacen, es posible estimar estos parámetros sin la necesidad de más equipos.

Efectos de los incentivos para energías renovables en Colombia

Abstract Introduction: This paper studies the potential effects of a new regulation to promote the development of renewable energy technologies in Colombia. Methods: This work establishes a methodology to include the effects of tax incentives in the calculation of the Levelized Cost of Electricity (LCOE). Two incentives are analyzed: tax deductions on the investment and accelerated depreciation on assets. Results: The first calculation shows up to 20% reduction in the LCOE; unfortunately, the regulation restricts small or new business from applying for all incentives. For this reason, two complementary mechanisms are proposed to allow small business ventures, such as forest biomass projects, to apply for incentives. As a result, a 30% reduction in the LCOE is obtained for photovoltaics (PV) and 15% for forest biomass. Conclusions: The deducted tax factor permits the direct computation of a tax-adjusted LCOE, avoiding extensive cash flow calculations. The high potential of biomass resources in Colombia and the proposed mechanisms can push LCOE prices lower than the grid parity cost in most isolated regions. This represents a great opportunity in Colombia because of the huge amount of biomass resources and the potential to create new job opportunities.

Resumen Introducción: En este artículo se estudian los efectos potenciales de la nueva regulación para promover el desarrollo de las tecnologías renovables en Colombia. Métodos: Se estableció una metodología para incluir los efectos de los incentivos de impuestos en el cálculo de los Costos Nivelados de Energía Eléctrica (LCOE, por su sigla en inglés). Se analizaron dos incentivos: deducción de impuestos en la inversión y depreciación acelerada de activos. Resultados: Los primeros cálculos muestran hasta un 20 % de reducción en los LCOE; desafortunadamente, la regulación no permite que pequeños o nuevos proyectos puedan aplicar a todos los incentivos. Por esta razón, se propusieron dos mecanismos complementarios para permitir que pequeños proyectos puedan aplicar a los incentivos. Como resultado se obtiene 30 % de reducción en los LCOE para generación fotovoltaica y 15 % para generación basada en biomasa forestal. Conclusiones: El factor fiscal deducido permite el cálculo directo de los LCOE ajustados y evita la elaboración de extensos flujos de caja. El alto potencial de biomasa en Colombia y los mecanismos propuestos permiten obtener LCOE menores que los precios de paridad de red en la mayoría de las zonas no interconectadas. Esto representa una gran oportunidad en Colombia, dado el gran potencial de este recurso y la posibilidad de crear nuevas oportunidades de empleo.

Un enfoque basado en escasez para detectar objetivos en imágenes espectrales a partir de medidas compresivas adquiridas por la arquitectura CASSI

Abstract Hyperspectral imaging requires handling a large amount of multidimensional spectral information. Hyperspectral image acquisition, processing, and storage are computationally and economically expensive and, in most cases, slow processes. In recent years, optical architectures have been developed for acquisition of spectral information in compressed form by using a small set of measurements coded by a spatial modulator. This article formulates a processing scheme that allows the measurements acquired by such compressive sampling systems to be used to perform spectral detection of targets, by adapting traditional detection algorithms for use in the compressive sampling model, and shows that the performance is comparable with that obtained by detection processes without compression.

Resumen La adquisición y procesamiento de imágenes espectrales involucra el manejo de grandes cantidades de información espectral multidimensional. Su adquisición, procesamiento y almacenamiento son costosos temporal, computacional y económicamente. En los últimos años se han desarrollado arquitecturas ópticas para la adquisición de información espectral de forma comprimida, usando un conjunto reducido de mediciones codificadas por un modulador espacial. En este artículo se formula un esquema de procesamiento que permita utilizar las mediciones adquiridas por dichos sistemas de muestreo compresivo; por tanto, para efectuar la detección espectral de objetivos, se adaptarán algoritmos de detección tradicionales a fin de usarlos en el modelo de muestreo compresivo, y se mostrará que su desempeño es comparable al obtenido en procesos de detección sin compresión.