Ingeniería y Ciencia

Solving the Kirsch Problem with Mesh-free Elements Using Radial Base Interpolation Functions

Resumen El problema de Kirsch publicado en 1898, es utilizado como base para co- rroborar la precisión relativa de los métodos numéricos desarrollados en la mecánica de sólidos. Por esta razón se utiliza la solución de este problema para evaluar la precisión del método numérico Mfree con una función de forma utilizando los puntos radiales de interpolación, en el método numé- rico libre de malla. El método de puntos radiales de interpolación es una técnica de interpolación utilizada para construir funciones de forma con nodos distribuidos localmente en una formulación débil la cual permite representar el problema como un sistema de ecuaciones. El tipo de funcio- nes más usuales son las funciones polinomiales o funciones de base radial MQ (RBF, radio basis functions), la cual fue utilizada por la estabilidad que presenta al momento de solucionar el problema numéricamente. Para hacer la comparación se usó la solución analítica dada por Kirsch y la solución numérica desarrollada en el presente trabajo, obtenido un error del 0.00899 % lo que muestra que la técnica Mfree con bases radiales de interpolación MQ son precisas y confiables al momento de ser utilizadas como método numérico de análisis.

Abstract The problem of Kirsch published in 1898, is used as a basis for corroborating the relative precision of numerical methods developed in the mechanics of solids. For this reason, the solution of this problem is used to evaluate the accuracy of the Mfree numerical method with a function of form using the radial points of interpolation, in the mesh-free numerical method. The radial points of interpolation method (RPIM) is an interpolation technique used to construct form functions with locally distributed nodes in a weak formulation that allows the representation of the problem as a system of equations. The most common type of functions are the polynomial func- tions or MQ Radial Basis Functions (RBF), which was used for the stability it presents at the moment of solving the problem numerically. The most common type of functions are the polynomial functions or Radial Basis Functions (RBF), which was used for the stability it presents at the mo- ment of solving the problem numerically. To make the comparison we used the analytical solution given by Kirsch nd the numerical solution developed in the present work, obtained an error of 0.00899%, which shows that the Mfree technique with radial bases of interpolation MQ are accurate and reliable when used as a numerical method of analysis.

Solving a Classical Optimization Problem Using GAMS Optimizer Package: Economic Dispatch Problem Implementation

Abstract This paper presents an effectiveness strategy to model and solve nonlinear mathematical optimization problems in electrical engineering using General Algebraic Modeling System (GAMS) for undergraduate students. A classical problem known as economic dispatch has been selected to show the need of using mathematical tools to solve a large scale optimization problem related with engineering. The economic dispatch is a classical optimization problem in operation of thermal electric systems, being the main idea to find an economical operation for thermal generators. This operation is based on a quadratic cost curve with some operating constraints, i.e., power balance and generation capacities. A numerical simulation is implemented using GAMS optimization package in demo version. This research has been developed with the support of 36 students of the course of Regulation and Operation of Electrical Systems (ROES) in the program of Electrical Engineering at Universidad Tecnológica de Pereira (UTP).

Resumen En este artículo se presenta una estrategia para modelar y resolver problemas no lineales de optimización con estudiantes de pregrado en ingeniería eléctrica empleando el Sistema de Modelado Algebraico General (GAMS). El problema clásico conocido como despacho económico ha sido seleccionado para mostrar la necesidad de usar herramientas matemáticas para resolver problemas de gran tamaño relacionados con ingeniería. El despacho económico es un problema clásico de optimización en operación de sistemas termoeléctricos, cuya idea principal es encontrar la operación más económica para los generadores térmicos. Esta operación está basada en una curva cuadrática de costos con algunas restricciones operativas, como por ejemplo, balance de potencia y capacidades de generación. La simulación numérica es implementada en GAMS usando una versión de prueba. Esta investigación ha sido desarrollada con la ayuda de 36 estudiantes del curso de Regulación y Operación de Sistemas Eléctricos (ROES) del programa de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica de Pereira (UTP).

Numerical Methods Coupled with Richardson Extrapolation for Computation of Transient Power Systems

Abstract The numerical solution of transient stability problems is a key element for electrical power system operation. The classical model for multi-machine systems is defined as a set of non-linear differential equations for the rotor speed and the generator angle for each electrical machine, this mathematical model is usually known as the swing equations. This paper presents how to use direct Richardson extrapolation of several orders for the numerical solution of the swing equations and compares it with other commonly used implicit and explicit solvers such as Runge-Kutta, trapezoidal, Shampine and Radau methods. A numerical study on a simple three machine sys- tem is used to illustrate the performance and implementation of algebraic Richardson extrapolation coupled to several solution methods. Normally, the order of accuracy of any numerical solution can be increased when Richardson Extrapolation is used. A numerical example is provided for an electrical grid consisting of three machines and nine buses undergoing a disturbance. It is shown that in this case Richardson extrapolation effectively increases the order of accuracy of the explicit methods making them competitive with the implicit methods.

Resumen La solución numérica de problemas de estabilidad transitoria es un elemento clave para la operación de sistemas eléctricos. El modelo clásico para sistemas multi-máquina se define como un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales para la velocidad del rotor y el ángulo del generador para cada máquina eléctrica, este modelo matemático se conoce generalmente como las ecuaciones de oscilación. Este artículo presenta la forma de utilizar la extrapolación directa de Richardson de varios órdenes para la solución numérica de las ecuaciones de oscilación y la compara con otros métodos implícitos y explícitos de uso común como los métodos RungeKutta, Trapezoidal, Shampine y Radau. Se presenta un estudio numérico sobre un sistema simple de tres máquinas para ilustrar el desempeño y la implementación algebráica de la extrapolación de Richardson. El orden de exactitud de cualquier solución numérica puede aumentarse cuando se utiliza la extrapolación de Richardson. Se proporciona un ejemplo numérico para una red eléctrica que consta de tres máquinas y nueve buses que sufren una perturbación. Se demuestra que en este caso la extrapolación de Richardson aumenta efectivamente el orden de exactitud de los métodos explícitos haciéndolos competitivos con los métodos implícitos.

Design of a Network of Reverse Logistics: Case Study Usochicamocha - Boyacá

Resumen Este artículo presenta los resultados finales de una investigación adelantada en el distrito de riego Usochicamocha del Departamento de Boyacá- Colombia, el cual enfrenta un problema a causa de la no devolución y recolección de la totalidad de los envases y empaques vacíos de plaguicidas que generan los agricultores. Debido a lo anterior, con la investigación se propone una configuración y funcionamiento de la red de logística inversa (LI) para la recolección, acopio y disposición final de los residuos de plaguicidas en dicha zona, para lo cual se desarrolla un modelo de programación lineal entera mixta con el fin de definir tanto las cantidades a recolectar y transportar a disposición final y evaluar la posibilidad de abrir nuevos centros de acopio. Los resultados del modelo matemático evidencian que, en promedio, se recolectan en cada finca 5 kg de residuos y que se envían 1106.58 kg a eliminación segura y 1292.31 kg a reciclaje.

Abstract This paper presents the final results of an advance investigation in the Usochicamocha irrigation district of the Department of Boyacá - Colombia, which faces a problem because of the non - return and collection of all the empty packaging and packaging of pesticides that generate the farmers. Due to the above, the research proposes a configuration and operation of the reverse logistics network (LI) for the collection, collection and final disposal of pesticide residues in that area, for which a linear programming model was developed mixed in order to define both the quantities to be collected and transported to final disposal and to evaluate the possibility of opening new collection centers. The results of the mathematical model show that, on average, 5 kg of waste are collected on each farm and 1106.58 kg are sent to safe disposal and 1292.31 kg to be recycled.

Integration of Renewable Energies and its Impact on Electricity Price

Resumen Las fuentes no convencionales de energía renovable (FNCER) son fuentes de energía consideradas como una alternativa limpia para el suministro de electricidad frente a generación eléctrica a base de combustible fósiles. Además, su integración al sistema eléctrico permite reducir el nivel de concentración en el mercado y facilitar la participación de la demanda. En este artículo se presentan diferentes mecanismos de integración de estas fuentes en el mercado, y se analiza su efecto sobre el precio de la electricidad en Colombia a través de un modelo de simulación en dinámica de sistemas. Bajo las condiciones de simulación definidas, los resultados indican que una participación del 20 % de las FNCER en el cubrimiento de la demanda de forma distribuida genera una reducción del 22 % en el precio de la electricidad en el largo plazo.

Abstract Non-conventional sources of renewable energy (NCER) are energy sources considered as a clean alternative for the energy supply versus an electric generation based on fossil fuels. In addition, they are a way by which the concentration level in the market is reduced and the participation of the demand can be given. This article presents different mechanisms of integration of these sources in the market, and analyzes their effect on the electricity price in Colombia. Under defined simulation conditions, the results indicate that a 20% share of the USRE in the coverage of demand on a distributed basis generates a 22% reduction in the electricity price for a long term.

A Generalized Model and Control for Supermagnetic and Supercapacitor Energy Storage

Abstract This paper presents a generalized linear model based on LMI state-feedback with integral action, applicable to the control of Electric Energy Storage Systems (EESS) such as Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) and Supercapacitor Energy Storage (SCES). A Voltage Source Converter (VSC) and a Pulse-Width modulated Current Source Converter (PWM-CSC) are respectively used to integrate the SCES and the SMES systems to the electrical distribution system. To represent the dynamics between the EESS and the power distribution system a reduced general linear model in the state-space representation is introduced. The proposed control scheme regulates independently the active and reactive power flow between the EESS and ac the grid. Three case scenarios comparing a conventional PI controller and the proposed technique are conducted considering grid voltage fluctuations. Extensive time-domain simulations demonstrate the robustness and proper performance of the proposed controller to operate the EESS as power compensator, in order to improve the operative conditions of electrical distribution systems.

Resumen En este articulo se presenta un control de retroalimentación a un modelo lineal generalizado basados en LMI con seguimiento de acción integral para sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SESS) tales como: a almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES) y almacenamiento de energía eléctrica por supercondensador (SCES). Un com- pacto de modelo lineal general en la representación del espacio de estado para representar el comportamiento dinámico entre el SESS y el sistema de distribución es presentado. Para integrar los sistemas SCES y SMES al sistema de distribución se utilizan un convertidor de fuente de tensión (VSC) y un convertidor de fuente de corriente modulada por ancho de pulso (PWM-CSC), respectivamente. La estrategia de control propuesta permite el control bidireccional de la potencia activa y reactiva entre el EESS y la red ac de manera independiente. Los resultados de las simulaciones demuestran el desempeño robusto y eficiente del control propuesto para operar EESS como compensadores de potencia activa y reactiva, con el fin de mejorar las condiciones operativas en el sistema de distribución. Además, todos los casos propuestos se compararon con el controlador PI convencional para verificar su validez.

Methodology for Landslide Susceptibility Assess- ment Along Linear Projects. Study Case in the Water Supply Pipeline of Fredonia, Antioquia

Resumen Los movimientos en masa se caracterizan por su capacidad de generar pérdidas. En Colombia, un considerable porcentaje de pérdidas está asociado a proyectos lineales; tan solo entre los años 2010-2011, 575 municipios fueron afectados por daños en la infraestructura de agua potable y saneamiento. Considerando la grave problemática de los proyectos lineales, el presente trabajo propone la combinación de métodos heurísticos, estadísticos y con base física para evaluar la susceptibilidad y amenaza por movimientos en masa, bajo diferentes escalas de análisis. Además de la construcción del mapa de unidades de criticidad, utilizando como unidad de análisis la Unidad Morfodinámica Independiente. El modelo obtenido es validado utilizando las curvas de éxito y el área bajo la curva (AUC, por su sigla en inglés). La metodología propuesta se implementó en el trayecto de la tubería del acueducto municipal del municipio de Fredonia en el departamento de Antioquia. Se identificó un 6 % de zonas tanto inestables como de muy alta y alta susceptibilidad; y un 13 % de zonas correspondientes tanto a cataclinales de menor buzamiento a la ladera y de igual buzamiento a la pendiente, como zonas de muy alta y alta susceptibilidad. El AUC para el análisis condicional y el mapa de criticidad arrojó un valor de 0.81 y 0.73 señalando un muy buen ajuste y desempeño de los modelos.

Abstract Landslides are characterized by their capacity to generate losses. In Colombia, a considerable percentage of those are associated with linear projects; between 2010-2011, 575 municipalities were affected by damage to the in- frastructure of water supply network and sanitation. Considering this serious problem related to linear projects, the present work proposes the combination of heuristic, statistical and physical based methods to evaluate the susceptibility and hazard of landslides, under different scales of analysis. In addition to the construction of a critical unit map, using as the unit of analysis the Independent Morphodynamic Unit. The obtained model is validated using the success curves and the Area Under the Curve (AUC). The proposed methodology was implemented in the pipeline of the municipal aqueduct of the municipality of Fredonia in the Antioquia region. It was identified 6% of areas, both unstable and very high and high susceptibility; and 13% of areas corresponding to both cataclinal over dip and pure dip slope, as well as areas of very high and high susceptibility. The AUC for the conditional analysis and the criticality map showed a value of 0.81 and 0.73 indicating a very good fit and performance of the models.

A Guide to Study Iron Oxide Magnetic Nanoparticles with Biomedical Applications. Part II

Resumen En esta segunda parte del artículo, se abordará el tema de la caracterización de nanopartículas magnéticas, haciendo énfasis en la interpretación de estas propiedades para definir la aplicación biomédica de los nanosistemas en estudio. Para el caso de nanopartículas de óxidos de hierro, se analizará como estas propiedades influyen en la disipación de calor de las nanopartículas cuando son sometidas a campos de radiofrecuencia, respuesta útil en el tratamiento del cáncer por hipertermia magética. En la hipertermia magnética, las partículas absorben energía de un campo de radio frecuencia y la disipan en forma de calor, los rangos de frecuencia típicamente usados para pruebas in-vivo y en humanos están entre 50 y 1000 kHz y amplitudes entre 5 y 50 kA/m. Las propiedades de interés como magnetización, interacciones entre partículas y su ordenamiento, se estudian a partir de simulaciones computacionales y datos experimentales utilizando modelos de análisis adecuados para cada caso, ya planteados en la primera parte de este artículo. Finalmente se hace una correlación de estas propiedades con la disipación de calor, determinada por métodos calorimétricos, la cual se considera como parámetro de mérito para cuantificar la transducción de energía electromagnética a térmica.

Abstract In this second part, the magnetic nanoparticles characterization is studied, doing special emphasys in the properties interpretation in order to define the nanosystems applications. In the case of the iron oxide magnetic nanoparticles, the influence of its properties in the heat dissipation under radiofrequency fields is analyzed, this answer is usefull in the cancer treatment by magnetic hyperthermia. In the magnetic hyperthermia treatment, particles absorb energy from a radio frequency magnetic field and dissipate it as heat. For in-vivo test and human assays, frequency ranges between 50 and 1000 kHz and field amplitudes ranges between 5 and 150 kHz are usually used. The main properties, such as magnetization, interactions between particles and particles structuring are studied using experimental data, computational simulations and suitable models for each case studied in the part I of this article. Finally, a correlation between these properties with heat dissipation, measured by calorimetric methods, which is the merit parameter to quantify the electromagnetic energy transduction into heat, is pointed out.

Role of Mitochondrial Function in the Heart and its Impications in Cardiac Dysfunctions

Resumen En este artículo de revisión, examinamos el papel de la mitocondria en el buen funcionamiento del corazón, y en la generación de diversas afecciones cardíacas, las cuales están caracterizadas por una baja producción de energía por parte de las mitocondrias y, por ende, hay un aumento en la pérdida de cardiomiocitos que conlleva al mal funcionamiento del corazón. Se ha determinado, que ciertas disfunciones mitocondriales asociadas a trastornos cardíacos se relacionan con alteraciones del sistema de fosforilación oxidativa, así como, con la disminución de ciertos componentes estructurales como la cardiolipina y la formación de supercomplejos. Se estima que cerca del 2.3 % de la población colombiana puede presentar una prevalencia a la falla cardíaca. La presente revisión tiene como objetivo dar a conocer los avances investigativos relacionados con enfermedades cardíacas ocasionadas por disfunción mitocondrial, así como, la identificación de diferentes investigaciones dirigidas en la creación de alternativas de tratamiento para dichas patologías, todo esto con el fin de contribuir a la construcción de líneas de trabajo que tomen a la mitocondria como blanco terapéutico.

Abstract In this review article, we examined the role of mitochondria in the good functioning of the heart, and in the generation of various cardiac conditions, which are characterized by low energy production by the mitochondria and therefore, there is an increase in the loss of cardiomyocytes that leads to malfunction of the heart. It has been determined that certain mitochondrial dysfunctions associated with cardiac disorders are related to alterations of the oxidative phosphorylation system, as well as to the reduction of certain structural components such as cardiolipin and the formation of supercomplexes. It is estimated that about 2.3% of the Colombian population may present prevalence to heart failure. The objective of the present review is to present the investigative advances related to cardiac diseases caused by mitochondrial dysfunction, as well the identification of different investigations directed at the creation of treatment alternatives for these pathologies, all in order to contribute to the construction of lines of work that take the mitochondria as a therapeutic target.

From Obtaining to Degradation of PHB: Material Properties. Part I

Abstract This paper presents a review of the chemical, physical and morphological characteristics, as well as the existing applications and mechanisms for the production of poly (3-hydroxybutyrate). This biopolymer, which is obtained from renewable sources, degrades when exposed in biologically active environments and is biocompatible, that is, it is not rejected by the human body in health applications. However, in spite of presenting similar properties with some conventional plastics, the PHB exhibits fragile behavior and thermal instability when processed. The literature proposes the use of blends, the development of copolymers or the insertion of additives in an attempt to improve the mechanical and thermal properties of PHB.

Resumen Este artículo presenta una revisión de las características químicas, físicas y morfológicas, así como las aplicaciones y mecanismos existentes para la producción de poli(3-hidroxibutirato). Este biopolímero, que se obtiene a partir de fuentes renovables, se degrada cuando se expone en ambientes biológicamente activos y es biocompatible, es decir, no es rechazado por el cuerpo humano en aplicaciones de salud. Sin embargo, a pesar de pre- sentar propiedades similares con algunos plásticos convencionales, el PHB exhibe comportamiento frágil e inestabilidad térmica cuando se procesa. La literatura propone el uso de mezclas, el desarrollo de copolímeros o la inserción de aditivos en un intento por mejorar las propiedades mecánicas y térmicas del PHB.