Efficient Simulation Tools (EST) for sediment transport in geomorphological shallow flows

Entre los fenómenos superficiales geofísicos y medioambientales, los flujos rápidos de mezclas de agua y sedimentos son probablemente los más exigentes y desconocidos de los procesos movidos por gravedad. El transporte de sedimentos es ubicuo en los cuerpos de agua naturales, como ríos, crecidas, costas o estuarios, además de ser el principal proceso en deslizamientos, flujos de detritos y coladas barro. En este tipo de flujos, el material fluidificado en movimiento consiste en una mezcla de agua y múltiples fases sólidas, que pueden ser de distinta naturaleza como diferentes clases de sedimento, materiales orgánicos, solutos químicos o metales pesados en lodos mineros. El modelado del transporte de sedimentos involucra una alta complejidad debido a las propiedades variables de la mezcla agua-sólidos, el acoplamiento de procesos físicos y la presencia de fenómenos multicapa. Los modelos matemáticos bidimensionales promediados en la vertical ('shallow-type') se construyen en el contexto de flujos superficiales y son aplicables a un amplio rango de estos procesos geofísicos que involucran transporte de sedimentos. Su resolución numérica en el marco de los métodos de Volúmenes Finitos (VF) está controlada por el conjunto de ecuaciones escogido, las propiedades dinámicas del sistema, el acoplamiento entre las variables del flujo y la malla computacional seleccionada. Además, la estimación de los términos fuente de masa y momento puede también afectar la robustez y precisión de la solución. La complejidad de la resolución numérica y el coste computacional de simulación crecen considerablemente con el número de ecuaciones involucradas. Además, la mayor parte de estos flujos son altamente transitorios y ocurren en terrenos irregulares con altas pendientes, requiriendo el uso de una discretización espacial no-estructurada refinada para capturar la complejidad del terreno e incrementando exponencialmente el tiempo computacional. Por tanto, el esfuerzo computacional es uno de los grandes retos para la aplicación de modelos promediados 2D en flujos realistas con grandes escalas espaciales y largas duraciones de evento. En esta tesis, modelos matemáticos superficiales 2D apropiados, algoritmos numéricos de VF robustos y precisos, y códigos eficientes de computación de alto rendimiento son combinados para desarrollar Herramientas Eficientes de Simulación (HES) para procesos medioambientales superficiales involucrando transporte de sedimentos con escalas temporales y espaciales realistas. Nuevas HES capaces de trabajar en mallas estructuradas y no-estructuradas son propuestas para el flujos de lodo/detritos con densidad variable, transporte pasivo en suspensión y transporte de fondo generalizado. Una atención especial es puesta en el acoplamiento entre las variables del sistema y en la integración de los términos fuente de masa y momento. Las propiedades de cada HES han sido cuidadosamente analizadas y sus capacidades demostradas usando tests de validación analíticos y experimentales, así como mediciones en eventos reales.Among the geophysical and environmental surface phenomena, rapid flows of water and sediment mixtures are probably the most challenging and unknown gravity-driven processes. Sediment transport is ubiquitous in environmental water bodies such as rivers, floods, coasts and estuaries, but also is the main process in wet landslides, debris flows and muddy slurries. In this kind of flows, the fluidized material in motion consists of a mixture of water and multiple solid phases which might be of different nature, such as different sediment size-classes, organic materials, chemical solutes or heavy metals in mine tailings. Modeling sediment transport involves an increasing complexity due to the variable bulk properties in the sediment-water mixture, the coupling of physical processes and the presence of multiple layers phenomena. Two-dimensional shallow-type mathematical models are built in the context of free surface flows and are applicable to a large number of these geophysical surface processes involving sediment transport. Their numerical solution in the Finite Volume (FV) framework is governed by the particular set of equations chosen, by the dynamical properties of the system, by the coupling between flow variables and by the computational grid choice. Moreover, the estimation of the mass and momentum source terms can also affect the robustness and accuracy of the solution. The complexity of the numerical resolution and the computational cost of simulation tools increase considerably with the number of equations involved. Furthermore, most of these highly unsteady flows usually occur along very steep and irregular terrains which require to use a refined non-structured spatial discretization in order to capture the terrain complexity, increasing exponentially the computational times. So that, the computational effort required is one of the biggest challenges for the application of depth-averaged 2D models to realistic large-scale long-term flows. Throughout this thesis, proper 2D shallow-type mathematical models, robust and accurate FV numerical algorithms and efficient high-performance computational codes are combined to develop Efficient Simulation Tools (EST's) for environmental surface processes involving sediment transport with realistic temporal and spatial scales. New EST's able to deal with structured and unstructured meshes are proposed for variable-density mud/debris flows, passive suspended transport and generalized bedload transport. Special attention is paid to the coupling between system variables and to the integration of mass and momentum source terms. The features of each EST have been carefully analyzed and their capabilities have been demonstrated using analytical and experimental benchmark tests, as well as observations in real events.<br /

Efficient Simulation Tools (EST) for Sediment-Laden Shallow Flows

Rapid flows of water-sediment mixtures are probably the most challenging and unknown geophysical gravity-driven processes. The fluidized material in motion consists of a mixture of water and multiple solid phases with different specific characteristics. Modeling sediment transport involves an increasing complexity due to the variable bulk properties in the sediment-water mixture, the coupling of physical processes, and the presence of multiple layer phenomena. Two-dimensional shallow-type mathematical models are built in the context of free surface flows and are applicable to most of these geophysical surface processes. Their numerical solution in the finite volume framework is governed by the dynamical properties of the equations, the coupling between flow variables and the computational grid. The complexity of the numerical resolution of these highly unsteady flows and the computational cost of simulation tools increase considerably with the refinement of the non-structured spatial discretization, so that the computational effort required is one of the biggest challenges for the application of depth-averaged 2D models to large-scale long-term flows. Throughout this chapter, the combination of 2D mathematical models, robust numerical methods, and efficient computing kernels is addressed to develop Efficient Simulation Tools (EST’s) for environmental surface processes involving sediment transport with realistic temporal and spatial scales

Desarrollo de un modelo bidimensional de flujo bicapa

En mecánica de fluidos existen un amplio abanico de situaciones en las que se ven involucrados fluidos inmniscibles de distintas densidades, como roturas de balsas mineras o convergencia de corrientes oceánicas.Este trabajo se centra en el desarrollo de un modelo de flujo bicapa en 2D con el objetivo de estudiar dichos fenómenos, en base a las ecuaciones de Navier-Stokes particularizadas para la situación de aguas poco profundas. Mediante una discretización basada en el método de volúmenes finitos (FVM) se implementa el esquema numérico FORCE para la resolución numérica de las ecuaciones por medio de simulaciones programadas en lenguaje C. Se realiza una valoración de la validez del modelo en base a los resultados obtenidos, comparándolos con soluciones exactas aquellos casos en los que sea posible.<br /

Towards Transient Experimental Water Surfaces: Strengthening Two-Dimensional SW Model Validation

The measurement and simulation of 2D free-surface shallow flows is carried out in this work. For the experimental study a 3D-sensing device (Microsoft Kinect) is used to measure both steady and transient water surface elevation fields with different flow characteristics. This procedure provides 640x480 px resolution water surface level point clouds with a frequency ranging from 8 Hz to 30 Hz. The experimental measurements are compared with 2D finite volume simulations carried out by means of a robust and well-balanced numerical scheme able to deal with flow regime transitions and wet/dry fronts. A good agreement is found between experimental and numerical results for all the cases studied, demonstrating the capability of the RGB-D sensor to capture the water free-surface position accurately. This new experimental technique, which allows us to obtain 2D water depth fields in open- channel flows, leads to a wide range of promising capabilities in order to validate new shallow water models and to improve their accuracy and performance

Modelización mediante CFD de un campo eólico de aerogeneradores sin palas usando Vortex Induced Vibration (VIV).

Este proyecto trata de ahondar en el conocimiento que se tiene sobre las interacciones entre aerogeneradores sin palas cuando se emplazan una junto a las otras para crear un campo eólico. Se basa en el prototipo ya existente de la empresa nacional Vortex Bladeless S.L., [8] donde se explican la estructura y funcionamiento de su aerogenerador. No obstante, en dicho estudio se pasa por alto el efecto que pueda tener la estela de un aerogenerador sobre otro. Para empezar, se exponen la estructura y método de trabajo de la que se componen los aerogeneradores sin palas, pasando a continuación a ilustrar los fenómenos físicos que toman parte en el funcionamiento de los aerogeneradores. Estos serán los fenómenos de mecánica de fluidos que se querrán luego reproducir mediante simulaciones. A continuación, se muestran los resultados obtenidos en los seis casos simulados en el software Ansys Fluent y su análisis. Se exponen las configuraciones geométricas empleadas en la generación de la malla computacional y los esquemas numéricos utilizados para la simulación, así como los resultados correspondientes de coeficientes de fuerza en la superficie de los aerogeneradores, velocidades de flujo y vorticidad. Se ha logrado observar cómo el desplazamiento lateral de los aerogeneradores a sotavento afecta en las fuerzas generadas sobre su superficie, aumentando estas cuando los vórtices de von Karman inciden parcial o completamente. Por último, se incluye un Anexo donde se indica el procedimiento empleado a la hora de crear los modelos computacionales en Ansys Fluent, incluyendo desde la creación de geometría, su mallado y optimización hasta la configuración del caso y la selección de modelos.<br /

Calibración y validación de modelos morfodinámicos para la caracterización de la erosión en presencia de pilas de puente

El Trabajo fin de Grado que se presenta a continuación se encuentra dentro del campo de la Mecánica de Fluidos Computacional. El objetivo es la calibración y validación de modelos morfodinámicos para la simulación de la erosión generada por flujos de lámina libre en presencia de pilas de puente.Se han utilizado modelos unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D) para la formulación de la dinámica de flujo y del arrastre de material del fondo. Se han resuelto numéricamente mediante técnicas de volúmenes finitos desarrolladas por el Grupo de Hidráulica Computacional del Área de Mecánica de Fluidos.Se han realizado experimentos en un canal de laboratorio, generando flujos transitorios sobre lecho erosivo en diversas geometrías en los que se ha medido la evolución de la superficie erosionable. Para la toma de datos y su procesamiento posterior se ha empleado una cámara Kinect que permite reconstruir las superficies y obtener los resultados de forma digital. Estos datos se comparan, posteriormente, con las simulaciones en estado transitorio. Se ha recopilado información de la formulación empírica propuesta por el Departamento de Transporte de Estados Unidos (USDT), para la estimación de la acción erosiva de un flujo en estado estacionario en las proximidades de un puente. Se ha comparado esta información con los resultados de una simulación en estado estacionario.Las tareas aquí realizadas forman parte del proyecto de investigación del Grupo de Hidráulica Computacional de la Universidad de Zaragoza, Herramientas eficientes de alta precisión para la simulación y control de flujos PGC2018-094341-B-I00, cuyo objetivo es el desarrollo de un código propio de simulación para la predicción y control de fenómenos en flujos complejos.<br /

Desarrollo de un modelo de simulación numérica de flujo transitorio bicapa en aproximación de aguas poco profundas

Las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas en la vertical se resuelven numéricamente mediante volúmenes finitos en un caso de flujo formado por dos fluidos de diferente densidad y viscosidad sobre un lecho irregular fijo. Obtenido el modelo analítico como un sistema de ecuaciones hiperbólico con términos fuente, se aplica un esquema upwind de primer orden de Roe y un esquema FORCE para su resolución numérica programando en lenguaje C. La simulación de casos test y experimentales presentes en la literatura se utiliza para la evaluación y validación del modelo. Este trabajo se ha desarrollado con una beca JAE del CSIC de iniciación a la investigación en el marco del proyecto: Desarrollo y validación de modelos de simulación avanzados con base física para procesos geofísicos e hidráulicos. SIMGEOAGUA. Ministerio de Ciencia e Innovación. CGL2015-66114-R.<br /

The Cytotoxicity of Epsilon toxin from Clostridium perfringens on lymphocytes is mediated by MAL protein expression

Epsilon toxin (Etx) from Clostridium perfringens is a pore-forming protein that crosses the blood-brain barrier, binds to myelin, and, hence, has been suggested to be a putative agent for the onset of multiple sclerosis, a demyelinating neuroinflammatory disease. Recently, myelin and lymphocyte (MAL) protein has been identified to be a key protein in the cytotoxic effect of Etx; however, the association of Etx with the immune system remains a central question. Here, we show that Etx selectively recognizes and kills only human cell lines expressing MAL protein through a direct Etx-MAL protein interaction. Experiments on lymphocytic cell lines revealed that MAL protein-expressing T cells, but not B cells, are sensitive to Etx and reveal that the toxin may be used as a molecular tool to distinguish subpopulations of lymphocytes. The overall results open the door to investigation of the role of Etx and Clostridium perfringens on inflammatory and autoimmune diseases like multiple sclerosis

Identification of Pseudomonas viridiflava, causal agent of onion (Allium cepa L.) bulb rot

Objective: To phenotypically and molecularly characterize and identify the causal agent of onion (Allium cepaL.) bulb rot in Morelos, Mexico.Methodology: Fluorescent bacteria from onion bulb tissue with symptoms of rot were isolated; the LOPATtest was used to describe them and subsequently they were identified by partial 16S rRNA gene amplification.Pathogenicity in vegetables and plants was evaluated injecting a suspension with 108 CFU mL-1of the pathogen.Results: Phenotypic characterization and 16S rRNA nucleotide sequencing showed 100% identity withPseudomonas viridiflava as the causal agent of onion bulb rot. The pathogen caused infection in broccoli (Brassica oleracea L.), spring onion (Allium fistulosum L.), purple onion (Allium cepa L.), cauliflower (Brassica oleracea var. botrytis L.), leek (Allium porrum L.), and carrot (Daucus carota L.), as well as in plant species such as jalapeño pepper (Capsicum annuum var. annuum L.), bean (Phaseolus vulgaris L.), and tomato (Solanum lycopersicum L.).Implications: This information is important for agriculture in Mexico. Pseudomonas viridiflava is a bacterialpathogen with high potential to infect new hosts. This is the first report of P. viridiflava causing onion rot in Mexico.Conclusions: Pseudomonas viridiflava is the causal agent of onion bulb

Momento Económico (46)

En este número Momento político: La ofensiva conservadora y la nueva Ley Federal del trabajo, Víctor M. Bemal Sahagún 2. ¿De cuál desarrollo y de cuáles regiones se trata en el Plan Nacional?, Angel Bassols Batalla 3. El Plan Nacional de Desarrollo 1989-1 994, Luis Fuentes Aguilar 10. Fernando Carmona de la Peña: Maestro emérito, Benito Rey Romay 12. José Luis Ceceiía Camez, Maestro emérito, Alma Chapoy Bonifaz y Salvador Martínez Della Roca 13. La deuda externa del llamado Tercer Mundo y la paz, Ramón Matínez Escamilla 14. Cananea: entre la quiebra y la privatización otro golpe a los trabajadores, José Casca Zamora 17. Paraestatales: Telmex y Pemex, Arturo Bonilla y Sergio Suárez Guevara 20. Los verdaderos alcances de la renegociación de la deuda externa de México, José Lorenzo Santos Valle 22. Indicadores económicos: México balance económico de los sectores primer semestre de 1989, Clara Eugenia Aranda 25. Temas de hoy José Antonio Moreno 32