Problema térmico inverso de conducción de calor aplicado al tratamiento térmico de austemperado usando optimización basada en simulaciones

La etapa de enfriamiento desde la temperatura de austenización hasta la temperatura ambiente es la etapa más crítica del tratamiento térmico de austemperado de una pieza de fundición nodular. La estimación tanto espacial como temporal del flujo de calor a través la superficie externa de la pieza durante dicha etapa, a fin de que la evolución de la temperatura en puntos interiores de la pieza siga unacurva temperatura-tiempo de austemperado prestablecida, constituye un problema térmico inverso de conducción de calor (IHCP, por sus siglas en inglés). En el presente trabajo, se propone la resolución de dicho problema inverso mediante el algoritmo de punto interior conocido como IPOPT. La función objetivo, que es el error en la consecución de la temperatura deseada a lo largo del tratamiento en una seriede puntos, requiere la solución de la ecuación de calor en estado transitorio durante todo el tratamiento, obtenida mediante el Método de Elementos Finitos (MEF). Las variables de diseño del problema definen la evolución de las condiciones de borde enfriamiento superficial a lo largo del tratamiento. En particular, se adoptó como variables de diseño la magnitud del flujo de calor impuesto en distintas porciones de la frontera, a distintos instantes de tiempo. De la aplicación del modelo a un caso de estudio representativo del austemperado de una pieza de fundición nodular, se demuestra que se puede puede determinar con precisión las condiciones de enfriamiento óptimas en ciertas porciones de la pieza, pero el resto de la pieza puede sufrir historias de temperaturas que perjudiquen sus propiedades mecánicas. A partir de esas observaciones, se determinan finalmente las limitaciones del tratamiento de austemperado de fundición nodular por enfriamiento superficial.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.30Facultad de Ingenierí

Optimización del material laminado compuesto en álabes de turbinas eólicas mediante algoritmos genéticos y redes neuronales

En la fabricación de álabes para turbinas eólicas con materiales laminados compuestos, la determinación de la cantidad de capas y el ordenamiento de fibras de refuerzo suele ser un problema iterativo; muchas veces resuelto por prueba y error, insumiendo una gran cantidad de tiempo. Este problema fue resuelto por los autores a través de una metodología de optimización basada en simulación que combinaba algoritmos genéticos con elementos finitos inversos (IFEM) para evaluar la respuesta estructural de los álabes. Proponemos aquí una mejora a dicha metodología, mediante el reemplazo de IFEM por un metamodelo basado en redes neuronales, lo que permite reducir de manera importante el costo computacional. Como ejemplo de aplicación, se han rediseñado los álabes de una turbina de 40KW, logrando reducciones del peso del orden del 20 % comparado a un diseño de referencia, cumpliendo simultáneamente con todas las restricciones de diseño.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.30Facultad de Ingenierí

Facile Hydrogen Evolution Reaction on WO3Nanorods

Tungsten trioxide nanorods have been generated by the thermal decomposition (450 °C) of tetrabutylammonium decatungstate. The synthesized tungsten trioxide (WO3) nanorods have been characterized by XRD, Raman, SEM, TEM, HRTEM and cyclic voltammetry. High resolution transmission electron microscopy and X-ray diffraction analysis showed that the synthesized WO3nanorods are crystalline in nature with monoclinic structure. The electrochemical experiments showed that they constitute a better electrocatalytic system for hydrogen evolution reaction in acid medium compared to their bulk counterpart

Electrocatalysis of H2 evolution by thermally prepared ruthenium oxide. Effect of precursors: Nitrate vs. chloride

Ruthenium oxide (formally RuO2) was deposited on Ti by thermal decomposition of Ru chloride as well as Ru nitrate. Electrodes were prepared in a range of temperatures, 260\u2013550 \ub0C, and characterized by SEM and cyclic voltammetry. The voltammetric charge q*, obtained by integration of the CV curves, was recorded as a function of calcination temperature. q* is higher for nitrate than for chloride. H2 evolution was used as a probe reaction to test the electrocatalytic properties. Polarization curves were recorded and analyzed to obtain Tafel slopes. Results showed that the oxide from nitrate is more electrocatalytic than that from chloride. This is in part due to the more extended surface area of the former, but electronic factors related to the particle size are also evident. q* was recorded after each run of experiments and compared with the values before to monitor the stability of the oxide layer

Computational design of a Massive Solar-Thermal Collector enhanced with Phase Change Materials

A cement-based device that can meet, partially or completely, the heating loads of a building by absorbing the solar radiation and converting it into thermal energy can be defined as a Massive Solar-Thermal Collector. The absorbing material for the incoming radiation is made of a cementitious composite, generally concrete, and flowing water inside tubes acts as a heat transfer medium. For an optimized performance, during periods of solar radiation, the device has to efficiently conduct the heat flow from the absorbing surface of the collector and transfer this heat energy to the water. Then, when the radiation is reduced or became null, the device should retain as much as possible the heat energy, reducing the heat that is escaping the collector and consequently the losses to the surrounding environment. In this work, by performing a parametric analysis, different absorbing materials are tested with the objective of finding the best configuration that maximizes the energy efficiency of the collector. Cementitious materials, in combination with Phase Change Materials with distinct melting (and solidification) temperatures, are selected as candidate absorbing materials. The weather variables of an entire year and for two different locations are considered to evaluate the behavior of these devices in opposite climates. After numerical simulations, in where an enthalpy-based finite element formulation is used to solve the physical problem, the obtained results allow to conclude that the inclusion of Phase Change Materials within the absorber material of the collectors, if it is done in a correct way, can improve the energy performance of these devices. In this study, 34 °C and 53 °C are chosen as the most appropriated melting temperatures, which conduct to considerable improvements in the achieved performances, and in both warm and cold climates

Inverse finite element modeling of shells using the degenerate solid approach

The Inverse Finite Element Method (IFEM) for degenerate solid shells is introduced. IFEM allows determining the undeformed shape of a body (in this case, a shell-like body) such that it attains a desired shape after large elastic deformations. The model is based on the degenerate solid approach, which enables the use of the standard constitutive laws of Solid Mechanics. First, IFEM is applied to three popular benchmarks for validation purposes. Then, the capabilities of IFEM for inverse design are demonstrated by means of its application to the design of a microvalve.Peer Reviewe