Ingeniería y Ciencia

A Modeling Approach for Lahar Hazard Assessment: the Case of Tamasagra Sector in the City of Pasto, Colombia

Abstract The computational program Titan2F, a two phase flow modeling program, is used to model several hypothetical scenarios of volcanic origin mud flows (lahars) in order to estimate the spacial and temporary evolution of this potentially destructive natural phenomena at its entrance of the city of Pasto, Colombia through the Mijitayo river basin. The predictions of the program suggest that extremely high and destructive dynamic pressures at the entrance to the city can be expected. In addition, our simulations show that half of the Tamasagra and El Bosque neighbors can be inundated with lahar depths of about 1 meter thickness. The program shows to be capable to deal with the modeling of the effect of the streets and buildings on the flow behavior, showing how the streets channelizes the flow governing the path of it. In addition, our results allow to identify regions where the flow loss most of its energy, where mitigation of risk can be suggested.

Resumen El programa Titan2F para el modelamiento de flujos bifásicos, fué usado para modelar escenarios hipotéticos de flujos de lodo de orígen volcánico (lahares) a fin de estimar la evolución espacial y temporal de este fenómeno potencialmente destructivo en su entrada a la ciudad de Pasto, Colombia, por la cuenca del rio Mijitayo. Las predicciones del programa sugieren presiones dinámicas extremadamente altas a la antrada del abanico de dispersion de la cuenca. Adicionalmente, se predicen niveles de inundación del orden de metros, aproximadamente en la mitad del área de los barrios Tamasagra y El Bosque. El programa es capaz de modelar el efecto de las calles y edificaciones en el comportamiento del flujo, mostrando como las calles lo canalizan, controlando su camino. Se encuentran zonas donde el flujo pierde su energía, donde se sugieren medidas de mitigación.

Three-Dimensional Geometric Model for Rock Masses from Photographs and the Octave Program: Cantera Santa Rita, Medellín, Colombia

Resumen El presente artículo expone el procedimiento para lograr el modelo geométrico tridimensional de un macizo rocoso a partir de un par de tomas fotográficas hechas con una cámara corriente, uso de software libre/abierto como Octave y otras librerías libres, construcción de equipos y herramientas sencillos y la apropiación de conocimientos importantes en visión artificial. Se describe tomando como ejemplo el modelo tridimensional de un corte de voladura del macizo rocoso de la Cantera Santa Rita, localizada al sudoeste de la ciudad de Medellín (Colombia). Finalmente, se muestra mediante una validación, a partir de medidas de campo in situ, que el procedimiento descrito aquí es promisorio para que pueda instaurarse como una herramienta para la caracterización geométrica de discontinuidades de los macizos rocosos.

Abstract The present article exposes the procedure to achieve the three-dimensional geometric model of a rock mass from a pair of photographic shots made with a current camera, use of free/open software such as Octave and other free libraries, construction of equipment and simple tools and the appropriation of important knowledge in artificial vision. It is described taking as an example the three-dimensional model of a blast cut of the rock mass of the Santa Rita Quarry, located southwest of the city of Medellín (Colombia). Finally, it is shown by a validation, based on field measurements, that the procedure described here is promising so that it can be established as a tool for the geometric characterization of discontinuities of rock mass.

Study Experimental and Numerical Simulations of the Micro-Hardness Tests in Al-Fe Alloy in Different Laser Beam Scanning

Abstract In the Al-2.0 wt.% Fe alloy the laser surface remelting (LSR) treatment was executed to investigate the treated and untreated layers areas, at different laser beam scanning, among them, 80, 100 and 120 mm/s, to respect, was presented and discussed about microstructural characteristics using the FEG and EDS techniques, and numerical experiments of pyramidal indentations of the LSR-treated systems were conducted using the FEM method. In the sample-treated cross-sectional area, the microstructure presented a columnar growth characteristics, a lot of nano-porosities and large size of the molten pool geometry in low laser beam scanning, however, in high laser beam scanning, the microstructure consisted of a cellular arrangement or fine-grained microstructure, the nanoporosities concentration and the molten pool geometry are slightly decreased. Besides, the micro-hardness in the LSR-treated area increased slightly as a function of increase of the laser beam scanning, but, the micro-hardness was much higher than the untreated sample. Meanwhile, modeling of indentation on COMSOL of the LSR-treatment by finite element method of the micro-hardness was successfully calculated. Therefore, a good agreement was found between experimental and simulated data.

Resumen En la aleación de Al-2.0 % Fe se realizó el tratamiento de refundición superficial con láser (RSL) para investigar las muestras con capas tratadas y no tratadas con diferentes velocidades de barrido con rayos láser, entre ellas, 80, 100 y 120 mm/s, respectivamente. En este artículo se presentaron y discutieron las características microestructurales utilizando las técnicas FEG y EDS. Además se llevaron a cabo experimentos y de simulación numérica por MEF de las indentaciones piramidales de la superficie tratados y no tratados con LSR. En la sección transversal de la muestra tratada con barrido lento de rayos láser y, específicamente en la geometría de la piscina fundida, la microestructura presentaba características de crecimiento columnar y también muestra muchas nanoporosidades. Sin embargo, con barrido de rayo láser alto, la microestructura muestra una disposición celular con grano fino, no obstante, la concentración de nanoporosidades y el tamaño de la geometría de la piscina fundida se redujeron ligeramente. Además, las medidas de la microdureza en la zona tratada con RSL aumentó ligeramente en función del aumento de la velocidad del rayo láser, pero la microdureza fue mucho mayor que en la muestra no tratada. También, se calculó con éxito el modelaje de la indentación de la microdureza con el software COMSOL de la muestra tratada por RSL y no tratada por el método de elementos finitos. Por lo tanto, se encontró un buen acuerdo entre los datos experimentales y los simulados.

Critical Constants Correlation from van der Waals Equation

Abstract The cubic van der Waals equation of state at the critical condition is reduced to a linear function (Vc vs. Tc/Pc coordinates) with one adjustable parameter. It is shown that at the critical point the relation Vc = 3Vo must not hold as van der Waals suggested, but the attractive constant α = Pc Vc2 remains. Selected values of Tc, Pc, Vc compiled by Ihmels where focused on testing the quality of several empirical equations relating critical conditions. It is shown that the obtained critical constants correlation is a general form of the empirical expressions proposed by Young, Meissner, Bird, Grigoras and Ihmels. From the resulting correlation function, a function for the critical compressibility is proposed. The critical volume Vc and the ratio Tc/Pc have been expressed in group contributions.

Resumen La ecuación de estado cúbica de van der Waals en la condición crítica se reduce a una función lineal (en coordenadas Vc frente a Tc/Pc ) con un parámetro de ajuste. Se muestra que en el punto crítico, la constante Vc = 3Vo debe efectivamente descartarse como hizo van der Waals, no así con la constante atractiva α = Pc Vc2. Los valores seleccionados de Tc, Pc, Vc compilados por Ihmels se enfocaron en probar la calidad de varias ecuaciones empíricas renombradas que relacionan condiciones críticas. En este artículo se muestra que la correlación de constantes crítica obtenida es una forma general de estas expresiones empíricas propuestas por Young, Meissner, Bird, Grigoras e Ihmels. Se propone una función para la compresibilidad crítica, única por familia homóloga. El volumen crítico Vc y la relación Tc/Pc se expresa en función de contribución de grupos.

Thermal Conductivity Measurement of Insulating Materials Under Non-stationary Heat Flow

Resumen Se desarrolló un dispositivo para medir la conductividad térmica en materiales sólidos para aislamiento térmico de uso común en edificaciones, siguiendo un modelo unidimensional de flujo de calor que atraviesa una placa del material a evaluar. Se mide el gradiente de temperatura entre las caras de la placa en función del tiempo, usando un arreglo diferencial de termopares tipo T. Para el control de los mecanismos del instrumento, la adquisición y tratamiento de los datos, se diseñó un circuito con microcontroladores comerciales. En ensayos previos con algunos materiales, se obtuvieron valores la conductividad térmica similares a los reportados en la literatura utilizando un ajuste lineal con valores de R entre 0.90 y 0.98. El dispositivo obtenido respresenta un instrumento útil para la medición de la conductividad térmica, destacando entre sus ventajas: la fácil construcción, el tamaño de las muestras a evaluar y el método de medida, comparado con los métodos tradicionales para medir este parámetro.

Abstract A device to measure thermal conductivity in thermal insulating solid materials commonly used in buildings was developed following a one-dimensional model of heat flow through a plate of the material to be evaluated. The temperature gradient between the plate faces was measured as a function of time by means of a set of type T thermocouples. A circuit with commercial microcontrollers was designed to control the instrument’s mechanisms, the acquisition and the treatment of data. In preliminary tests with some materials, thermal conductivity values similar to those reported in the literature were obtained by using a linear adjustment with R values between 0.90 and 0.98. This device turns out to be a good instrument for measuring thermal conductivity because it has several advantages, such as: easy implementation, sample size, measurement method; compared to those using traditional methods.

Generalized Simulated Annealing Algorithm for Matlab

Resumen Muchos problemas en física, matemáticas e ingeniería, demandan la determinación del óptimo global de funciones multidimensionales. El recocido simulado es un método metaheurístico que tiene por objeto dar solución a problemas de optimización global. Existen tres tipos de recocido simulado: i) recocido simulado clásico; ii) recocido simulado rápido y iii) recocido simulado generalizado. De entre estos, el recocido simulado generalizado es demostradamente el más eficiente. Matlab, uno de los softwares más ampliamente usados en simulación numérica y programación científica, dispone de una caja de herramientas con funciones basadas tanto en métodos determinísticos como estocásticos capaces de resolver una gran cantidad de problemas de optimización. En este artículo se describió el método de recocido simulado generalizado, se elaboró la función GSA que alberga este método y se aplicó en algunos problemas matemáticos que permitieron evaluar la eficiencia de GSA respecto de algunas funciones de optimización de Matlab. Como resultado, se obtuvo que la función GSA no solo consigue ser efectiva en su convergencia al óptimo global sino que, además, lo hace con rapidez. Así mismo se observó que, en lineas generales, GSA fue más eficiente que las funciones con las que fue comparada. Por tanto, puede concluirse que la función GSA es en una alternativa novedosa y efectiva para el abordaje de problemas de optimización utilizando Matlab.

Abstract Many problems in biology, physics, mathematics, and engineering, demand the determination of the global optimum of multidimensional functions. Simulated annealing is a meta-heuristic method that solves global optimization problems. There are three types of simulated annealing: i) classical simulated annealing; ii) fast simulated annealing and iii) generalized simulated annealing. Among them, generalized simulated annealing is the most efficient. Matlab is one of the most widely software used in numeric simulation and scientific computation. Matlab optimization toolbox provides a variety of functions able to solve many complex problems. In this article, the generalized simulated annealing method was described, the GSA function that contains this method was applied to some mathematical problems were solved in order to evaluate the efficiency of GSA with respect to some of Matlab optimization functions. As a result, it was found that the GSA function not only manages to be effective in its convergence to the global optimum but also it does so quickly. Likewise, it was observed that, in general terms, GSA was more efficient than the functions with which it was compared. Therefore, it can be concluded that the GSA function is a novel and effective alternative for addressing optimization problems using Matlab.

Planning and Sizing of Electrical Networks of Underground Distribution by Metaheuristic Method

Resumen La introducción de nuevas cargas a los sistemas eléctricos de distribución tradicionales puede provocar sobrecarga en los equipos de potencia. Esta sobrecarga hace que la vida útil de los equipos de potencia disminuya considerablemente además, la confiabilidad y estabilidad del sistema comienza a verse comprometido. Por lo tanto, mediante la presente investigación se da solución al problema de planeación de redes eléctricas de distribución integrando la posibilidad de migrar del concepto de redes eléctricas tradicionales a redes eléctricas inteligentes, las mismas que, únicamente se consigue dotando a los sistemas eléctricos de distribución de robustas redes heterogéneas de comunicación bidireccional. El presente trabajo se enfoca en el desarrollo de un modelo capaz de ubicar los transformadores de distribución en los mejores sitios para satisfacer de energía a los usuarios de la red eléctrica y de conseguir la mejor topología mediante la aplicación de teoría de grafos. Además, el presente modelo contempla el desarrollo de una heurística capaz de ejecutar procesos de planeación georreferenciada mediante la gestión y utilización de la información geolocalizada desde OpenStreetMap mediante el archivo .osm que, esta plataforma gratuita, nos ofrece.La heurística propuesta en el presente documento se modela utilizando el software Matlab y para validar la información, se requiere el software Cymdist.

Abstract The introduction of new loads to the traditional electrical distribution systems can lead to the overloading in the power equipment. This on the sizing makes the useful life of the power equipment decrease considerably, in addition, the reliability and stability of the system begins to be compromised. Therefore, through the present investigation it is possible to solve the problem of the planning of electrical distribution networks by integrating the possibility of migrating from the concept of traditional electric networks to smart electric networks, the same ones that only electrical distribution systems of robust networks are achieved heterogeneous bidirectional communication. The present work focused on the development of a model capable of locating the distribution transformers in the best sites to satisfy the majority of users of the electrical network and obtain the best topology by applying the theory of graphs In addition, the presented model contemplates the development of a heuristic capable of executing georeferenced planning processes through the management and use of geolocated information from OpenStreetMap through the .osm file that this free platform offers us. The heuristic proposed in the present document is modeled using the Matlab software and to validate the information, the Cymdist software is required.