Estudi d'alternatives per a la millora funcional del dic de recer del Port Olímpic

El Puerto Olímpico de Barcelona ha sufrido importantes daños en varios episodios de temporal desde su inauguración, en 1992. Estos daños han sido causados por los elevados caudales de rebase que se han dado sobre el dique de abrigo. El sistema de protección del Puerto Olímpico consta hoy día de un dique vertical, que es el dique de abrigo principal y que corona a la cota +7,15 m sobre el nivel medio del mar; y de una serie de cuatro diques sumergidos, ligeramente paralelos al primero y situados a una distancia mar adentro de unos 65 m. Estos diques, que coronan a una cota media de entre 3 y 4 metros bajo el nivel medio del mar y tienen una anchura de 20 m, son los encargados de disipar parte de la energía del oleaje y de provocar la rotura de las olas más peligrosas. En 2007, Enginyeria Reventós realiza el informe "Informe sobre el funcionamiento del dique de abrigo del Puerto Olímpico" donde se concluye la necesidad de una modificación estructural de los diques de protección, para mejorar su respuesta funcional frente al rebase. Enginyeria Reventós encarga al Centro Internacional de Investigaciones de los Recursos Costeros (CIIRC) una serie de ensayos de rebase en canal en Noviembre de 2009 para comprobar el comportamiento frente al rebase de diferentes alternativas de modificación de los diques de abrigo del Port Olímpic. La presente Tesina tiene por objeto analizar las distintas alternativas para determinar la más adecuada desde un punto de vista ingenieril global. Para ello, en una primera etapa, se analizan los resultados de los ensayos de rebase y se eliminan las alternativas que no cumplen con el requerimiento mínimo de caudal medio de rebase, que se fija en 0,1 l/s/m (Pullen et al., 1997). Se pasa a continuación al análisis de estabilidad de las distintas alternativas, para lo cual se recopilan las expresiones del estado del arte que permiten el predimensionamiento de las estructuras estudiadas. Las alternativas que cumplen con los mínimos recomendados en cuanto a estabilidad y rebase, se estudian desde otros puntos de vista (ecología, economía...). la comparación se culmina con la realización de un análisis multicriterio mediante un modelo lineal ADMC. Finalmente se escoge la mejor alternativa y se proponen futuras líneas de investigación que permitan nuevos diseños y herramientas para resolver problemas como el planteado con mayor facilidad y alcanzando un grado de optimización mayor

Numerical analysis of particle-laden flows with the finite element method

In this work we study the numerical simulation of particle-laden fluids, with a focus on Newtonian fluids and spherical, rigid particles. We are thus dealing with a multi-phase (more precisely, a multi-component) problem, with two phases: the fluid (continuous phase) and the the particles (disperse phase). Our general strategy consists in using the discrete element method (DEM) to model the particles and the finite element method (FEM) to discretize the Navier-Stokes equations, which model the continuous phase. The interaction model between both phases is (must be) based on a multiscale concept, since the smallest scales resolved of the continuous phase are considered much bigger than the particles. In other words, the resolution of the numerical model for the particles is finer than that used for the fluid. Consequently, whether implicit or explicit, there must be a filtering or averaging operation involved in the interaction between both phases, where the details of their motions smaller than the smallest resolution scale of the fluid are soothed out, since the latter is the coarsest of the two different resolutions considered. The spatial discretization of the continuous phase is performed with the FEM, using equal-order spaces of shape functions for the velocity and for the pressure. It is a well-known fact that this type of combination involves the violation of the Ladyzenskaja-Babuška-Brezzi (LBB) condition, resulting in an unstable numerical method. Moreover, the presence of the convective term in Eulerian description of the flow also leads to numerical instabilities. Both effects are treated with the sub-grid scale stabilization methods here. About the disperse phase, the trajectory of each particle is calculated based both on the fluid-interaction forces and on the contact forces between them and the surrounding rigid boundaries. The differential equation that describes the motion of particles in between successive collisions, given the mean (averaged) far field and for particles much smaller than the smallest scales of the flow (the Kolmogorov scale in turbulence) is the Maxey-Riley equation (MRE). This equation is the subject of chapter 2. The objective of this theoretical study is to establish quantitative (up to order-of-magnitude accuracy) limits to its range of validity and to the relative importance of its various terms. The method employed is dimensional analysis, which is systematically applied to derive the 'first effects' of a series of phenomena that are neglected in the derivation of the MRE. Chapter 3 is dedicated to the numerical resolution of the MRE. Here we present improvements to the method of van Hinsberg et al. (2011) for the calculation of the history term and analyse the method thoroughly. We include several tests to show the efficiency and utility of the proposed approach. The MRE is directly applicable to flows where the particle-based Reynolds number is Re << 1. But its relevance reaches further, as its structure is the basis for the majority of extensions that model the movement of suspended particles outside the range of validity of the MRE. Chapter 4 is markedly more applied than the two preceding ones. It treats various industrial flux types with particles where we employ several extensions of the MRE of the type mentioned above. In the first part of this chapter we review the most important of these extensions and study the process of derivative recovery, necessary to calculate several terms in the equation of motion. The tests examples considered include bubble trapping in 'T'-junction tubes, the simulation of drilling systems of the oil industry based on the bombardment of steel particles and fluidized beds. For the latter we use a discrete filtering-based coupling approach, that mirrors the continuous theory sketched above. This set of three chapters (2, 3, 4) is the core of the Thesis, which is completed with an introduction (chapter 1) and the conclusions (chapter 5).En este trabajo se estudia la simulación numérica de fluidos con partículas en suspensión, con énfasis en fluidos newtonianos y partículas esféricas y rígidas. El problema es, pues, multi-fásico (o, más precisamente, multi-componente) en donde dos son las fases: el fluido (fase continua) y las partículas (fase dispersa). La estrategia general consiste en la modelización de las partículas mediante el método de los elementos discretos (DEM) y el método de los elementos finitos (FEM) para la discretización de las ecuaciones de Navier-Stokes, que modelan la fase continua. El modelo de interacción entre fases se basa (debe basarse) en una concepción multiescala del sistema, puesto que las escalas más pequeñas resueltas para el fluido se consideran mucho mayores a las partículas. Dicho de otro modo, ya sea implícita o explícitamente, en la interacción interviene un proceso de filtrado o promediado en que se suavizan los detalles del movimiento más pequeños que la escala de resolución del fluido. Par la fase continua la discretización del dominio se realiza con el FEM, con espacios de funciones de forma de igual orden para la velocidad y para la presión. Como es bien sabido, ello conlleva la violación de la condición de Ladyzenskaja-Babuška-Brezzi (LBB), dando un método numérico inestable. Además, la presencia del término convectivo en la descripción euleriana del flujo también resulta en inestabilidad. Ambos son tratados con métodos de estabilización basada en la modelización de 'escalas sub-malla'. En cuanto a la fase dispersa, se calcula la trayectoria de cada una de las partículas en función de fuerzas de contacto con las demás partículas y las superficies sólidas que limitan el dominio de cálculo por un lado, y de las fuerzas de interacción con el fluido por otro. La ecuación que describe el movimiento entre colisiones para partículas menores que las escalas más pequeñas del flujo (escala de Kolmogorov en flujos turbulentos), dado el campo lejano (promediado) de velocidades es la de Maxey-Riley (MRE). Esta ecuación es el objeto de estudio del capítulo 2. El objetivo de este estudio teórico es establecer de forma cuantitativa (en orden de magnitud) su rango de validez y la importancia relativa de sus distintos términos. El método empleado es el análisis dimensional aplicado sistemáticamente al estudio de los 'primeros efectos' de distintos fenómenos físicos que se desprecian en el planteamiento de la ecuación. El capítulo 3 se centra en la resolución numérica de la MRE. En él se presenta una mejora y estudio sistemático del método de van Hinsberg et al. (2011) para el cálculo del término histórico de la ecuación. Se incluyen distintos tests para demostrar la eficiencia del método y su aplicabilidad práctica. La MRE es de directa aplicación en flujos en los que el número de Reynolds relativo a la partícula es Re << 1. Sin embargo, su relevancia va más allá, pues en su estructura se basan la mayoría de modelos para el movimiento de partículas en suspensión, fuera del rango de aplicación de la MRE. El capítulo 4 es de índole más aplicada que los dos anteriores, y trata diversos ejemplos industriales de flujos con partículas en los que se emplean extensiones de la MRE de este tipo. En la primera parte se revisan las extensiones más importantes y la recuperación de derivadas, proceso necesario para el cálculo de varios términos de la ecuación de movimiento de las partículas. Las aplicaciones prácticas tratadas incluyen el aprisionamiento de burbujas en juntas en 'T', la simulación de sistemas de perforación petrolífera basados en el bombardeo con partículas de acero y los lechos fluidificados. Para esta última, se usa una técnica de filtrado discreto inspirada en la teoría esbozada más arriba. Estos tres capítulos (2, 3, 4) se completan con la introducción (capítulo 1) y las conclusiones (capítulo 5)

Estudi d'alternatives per a la millora funcional del dic de recer del Port Olímpic

El Puerto Olímpico de Barcelona ha sufrido importantes daños en varios episodios de temporal desde su inauguración, en 1992. Estos daños han sido causados por los elevados caudales de rebase que se han dado sobre el dique de abrigo. El sistema de protección del Puerto Olímpico consta hoy día de un dique vertical, que es el dique de abrigo principal y que corona a la cota +7,15 m sobre el nivel medio del mar; y de una serie de cuatro diques sumergidos, ligeramente paralelos al primero y situados a una distancia mar adentro de unos 65 m. Estos diques, que coronan a una cota media de entre 3 y 4 metros bajo el nivel medio del mar y tienen una anchura de 20 m, son los encargados de disipar parte de la energía del oleaje y de provocar la rotura de las olas más peligrosas. En 2007, Enginyeria Reventós realiza el informe "Informe sobre el funcionamiento del dique de abrigo del Puerto Olímpico" donde se concluye la necesidad de una modificación estructural de los diques de protección, para mejorar su respuesta funcional frente al rebase. Enginyeria Reventós encarga al Centro Internacional de Investigaciones de los Recursos Costeros (CIIRC) una serie de ensayos de rebase en canal en Noviembre de 2009 para comprobar el comportamiento frente al rebase de diferentes alternativas de modificación de los diques de abrigo del Port Olímpic. La presente Tesina tiene por objeto analizar las distintas alternativas para determinar la más adecuada desde un punto de vista ingenieril global. Para ello, en una primera etapa, se analizan los resultados de los ensayos de rebase y se eliminan las alternativas que no cumplen con el requerimiento mínimo de caudal medio de rebase, que se fija en 0,1 l/s/m (Pullen et al., 1997). Se pasa a continuación al análisis de estabilidad de las distintas alternativas, para lo cual se recopilan las expresiones del estado del arte que permiten el predimensionamiento de las estructuras estudiadas. Las alternativas que cumplen con los mínimos recomendados en cuanto a estabilidad y rebase, se estudian desde otros puntos de vista (ecología, economía...). la comparación se culmina con la realización de un análisis multicriterio mediante un modelo lineal ADMC. Finalmente se escoge la mejor alternativa y se proponen futuras líneas de investigación que permitan nuevos diseños y herramientas para resolver problemas como el planteado con mayor facilidad y alcanzando un grado de optimización mayor

Proyecto de diseño de un Seminario-Taller de Laboratorio de Electrónica Básica en modalidad semipresencial

En carreras de Ingeniería prevalecen opiniones negativas sobre la implementación de modalidades de enseñanza no presenciales. Este rechazo a priori se fundamenta en un dato objetivo: la dificultad para realizar actividades de laboratorio, esenciales para la formación profesional. Este trabajo propone una alternativa implementando un Seminario-Taller de Laboratorio de Electrónica Básica semipresencial. Surge además de la necesidad de contar, en carreras de Ingeniería Electrónica, Automatización y Control o afines, con un complemento formativo para alumnos sin experiencia en el diseño y montaje de circuitos electrónicos. Pretende un enfoque de la electrónica fuertemente práctico antes que desde los fundamentos teóricos. La modalidad seminario adoptará una propuesta didáctica no presencial apoyada en una metodología de autoaprendizaje y aprendizaje tutorizado utilizando Internet. La modalidad taller de laboratorio presencial permitirá implementar montajes circuitales y usar instrumental de laboratorio para verificar el funcionamiento de los circuitos desarrollados. Esta actividad será presencial por la necesidad de operar instrumentos y disponer materiales, así como de la guía en “tiempo real” de un docente, permitiendo realizar evaluación de aprendizajes. El Seminario-Taller podrá ser implementado en un blog o en una plataforma educativa. Los materiales desarrollados serán accesibles de forma abierta y gratuita a cualquier usuario de Internet.Eje: Innovación y desarrollos tecnológicos en educación a distanciaDirección de Educación a Distancia, Innovación en el aula y TI

Approximating the Basset force by optimizing the method of van Hinsberg et al.

In this work we put the method proposed by van Hinsberg et al. [29] to the test, highlighting its accuracy and efficiency in a sequence of benchmarks of increasing complexity. Furthermore, we explore the possibility of systematizing the way in which the method's free parameters are determined by generalizing the optimization problem that was considered originally. Finally, we provide a list of worked-out values, ready for implementation in large-scale particle-laden flow simulations.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Particle-structure interaction using cad-based boundary descriptions and isogeometric B-REP analysis (IBRA)

The procedure and the properties with the use of NURBS-described CAD models in particle-structure interaction are presented within this contribution. This implies the needed entities of those models and the description of trimmed multipatches to discretize analysis suitable numerical models. Finally, the properties will be shown with some test cases in comparison to analytical benchmarks and simulations with FEM as boundary description

PFEM–DEM for particle-laden flows with free surface

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s40571-019-00244-1This work proposes a fully Lagrangian formulation for the numerical modeling of free-surface particle-laden flows. The fluid phase is solved using the particle finite element method (PFEM), while the solid particles embedded in the fluid are modeled with the discrete element method (DEM). The coupling between the implicit PFEM and the explicit DEM is performed through a sub-stepping staggered scheme. This work only considers suspended spherical particles that are assumed not to affect the fluid motion. Several tests are presented to validate the formulation. The PFEM–DEM results show very good agreement with analytical solutions, laboratory tests and numerical results from alternative numerical methods.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Lagrangian analysis of multiscale particulate flows with the particle finite element method

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s40571-014-0012-9We present a Lagrangian numerical technique for the analysis of flows incorporating physical particles of different sizes. The numerical approach is based on the particle finite element method (PFEM) which blends concepts from particle-based techniques and the FEM. The basis of the Lagrangian formulation for particulate flows and the procedure for modelling the motion of small and large particles that are submerged in the fluid are described in detail. The numerical technique for analysis of this type of multiscale particulate flows using a stabilized mixed velocity-pressure formulation and the PFEM is also presented. Examples of application of the PFEM to several particulate flows problems are given.Peer ReviewedPostprint (published version