Author: HUMBERTO SALINAS TAPIA

Implementación numérica del método Euleriano-Lagrangiano del adjunto localizado (ELLAM) en dos dimensiones

Humberto Salinas Tapia (1999)

En los últimos años ha cobrado gran importancia la contaminación de los acuíferos, por lo que, ha puesto de manifiesto el estudio del transporte de contaminantes, principalmente los métodos de solución de las ecuaciones que rigen este fenómeno. En este trabajo se plantean las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo del agua subterránea, en múltiples fases. En una dase se considera únicamente el agua como fluido (zona saturada), en dos fases se considera además del agua la fase aire, generando un sistema en múltiples fases (zona no saturada). Estas ecuaciones son planteadas en una dimensión para la zona saturada, y en una y dos dimensiones para la zona no saturada. El objeto principal de este trabajo, es la implementación numérica de la ecuación de transporte de contaminantes en múltiples fases, la cual es planteada primeramente en una dimensión para la zona saturada, y posteriormente, en una y dos dimensiones para la zona no saturada. Existen diferentes métodos numéricos utilizados en la solución de la ecuación de transporte en la zona saturada; tales como el método de Diferencias Finitas, el método del Elemento Finito, el método de Características y el método Modificado de Características; los cuales presentan buenas soluciones respetando el criterio del número de Courant y de Peclet. Por otra parte, se ha realizado la reducción de orden de la ecuación de transporte mediante una transformación de coordenadas, cuya solución es obtenida aplicando el método del Adjunto Localizado; los métodos antes mencionados, no presentan la propiedad de conservación de masa, por lo que, el método que presenta esta propiedad es el método Euleriano-Lagrangiano del Adjunto Localizado, el cual realiza un tratamiento sistemático de las fronteras que son integradas en el esquema numérico en forma sencilla. Para la solución de la ecuación de transporte en la zona no saturada, se describen dos métodos: el método del Elemento Finito de Galerkin (FEM), utilizando una integración reducida con la opción “Lumped”, y el método Euleriano Lagrangiano del Adjunto Localizado (ELLAM). Cada uno de estos métodos son aplicados a una y dos dimensiones. EL método de Elemento Finito, para incrementos de tiempo grandes, presenta deterioro en la solución, además de no tener la propiedad de conservación de masa. Estas deficiencias no se presentan en el método ELLAM cuya propiedad es la conservación de masas, debido a que realiza un tratamiento sistemático de las fronteras, además no está restringido por el número de Courant Peclet en la Discretización de las mallas. En dos dimensiones, el método ELLAM aplicado a la ecuación en la forma conservativa, no presenta ventaja con respecto a FEM, sin embargo con la aplicación de la combinación de la forma conservativa y no conservativa, el método (ELLAM) presenta mayor ventaja en la conservación de masa, y en el esfuerzo computacional.

Master thesis

Research Subject Categories INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Experimental observations of cohesive sediment dynamics in aquaculture recirculation tanks

JUAN ANTONIO GARCIA ARAGON Humberto Salinas Tapia (2013)

se describe un modelo para velcocidad de caida de agregados validado experimentalmente.

Cohesive sediments from non-used food and fish excreta are a main concern in aquaculture recirculation tank design. Excess concentrations of sediments can cause fish death or additional costs of energy for aeration. Flow dynamics in these tanks is represented as a multiphase flow with two disperse phases: one of solids (cohesive sediments) and one of gas (oxygen) because aeration is always needed. This research was carried out to understand the settling behavior of flocs when subjected to a liquid shear rate. A reduced scale model of an aquaculture recirculation tank was built in Plexiglas in order to use Particle Image Velocimetry and Particle Tracking Velocimetry techniques to measure fluid velocities, solid settling velocities, floc shape, and size. The optical techniques provided a description of how the phases organize in space and how this organization is related to the microphysics. Different flow rates and solid concentrations were used to develop varied configurations in the system. Models for floc settling velocity based on fractal theory were calibrated. Cohesive sediments from fish food were observed in long-term experiments at constant fluid shear rate and constant gas flow rates in the recirculation tank. Images were obtained each five minutes. Image analysis provided us with floc settling velocity data and floc size. Using floc settling velocity data, floc density data were obtained for different diameters at equilibrium conditions, after one hour or larger experiments. Statistical analysis of floc velocities for different floc sizes allowed us to obtain an expression for the drag coefficient as a function of floc particle Reynolds number (R*=ρwWsD/μ) where Ws is the floc settling velocity, D is floc diameter, ρw is the liquid mass density and μ is the liquid viscosity. The results are helpful to improve cohesive sediment removal in aquaculture recirculation tanks by providing a tool to obtain optimum sedimentation rates as a function of fluid shear rates

UAEM

Article

floc settling velocity aquaculture recirculation tank fractal dimension drag coefficient PTV PIV BIOLOGÍA Y QUÍMICA

Fórmula experimental para la velocidad de caída de sedimentos en flujo transversal

Humberto Salinas Tapia JUAN ANTONIO GARCIA ARAGON (2011)

En el presente trabajo se determinó de forma experimental la velocidad de caída de partículas sedimentarias en un canal con flujo transversal. Se utilizaron las técnicas ópticas Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) para el fluido y de Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV) para los sedimentos Se utilizaron siete valores de caudal líquido con números de Reynolds del fluido ( R f ) entre 4 200 y 33 000, para evaluar el efecto del movimiento del fluido en la velocidad de caída de las partículas de sedimento. A fin de obtener las componentes de la velocidad de caída de cada partícula sedimentaria, se desarrolló un software con la técnica PTV. Los resultados muestran que la velocidad de caída de las partículas se ve afectada por el movimiento del fluido. Se propone una expresión para el cálculo de la velocidad de caída de sedimentos que toma en cuenta ese efecto.

Book

Ciencias de la Tierra sedimentos velocidad de caída PIV PTV tamaño de partícula Reynolds del fluido Reynolds de la partícula CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA

A model for the settling velocity of flocs; application to an aquaculture recirculation tank

Humberto Salinas Tapia JAVIER MORENO GUEVARA VICTOR DIAZ PALOMAREZ SAMUEL TEJEDA VEGA (2014)

Se generalizó un modelo para velocidad de caida de flocs para diferentes tipos de agregados ; de plantas de tratamiento, estuarios y acuacultura.

A general model for fl ocs settling velocity is still an open fi eld of research in the scientific literature. In this work, a reduced model of an aquaculture recirculation tank was used to validate a model for floc settling velocity. Cohesive sediments from non-used food and fi sh excreta are a main concern in those tanks design. Excess concentrations of sediments can cause fi sh death or additional costs of energy for aeration. This research is aimed to understand the settling behavior of fl ocs when subjected to a liquid shear rate. A reduced scale model of an aquaculture recirculation tank was build in Plexiglas in order to use particle image velocimetry and particle tracking velocimetry techniques to measure fl uid velocities, solid settling velocities, flocs shape and size. Different fl ow rates and solid concentrations were used to develop varied confi gurations in the system; models for floc settling velocity based on fractal theory were calibrated. Cohesive sediments from fi sh food were observed in long-term experiments at constant fl uid shear rate in the recirculation tank. A group of 50 images were obtained for every 5 min. Image analysis provided us with fl oc settling velocity data and fl oc size. Using fl oc settling velocity data, fl oc density was obtained for different diameters at equilibrium conditions, after 1 h or larger experiments. Statistical analysis of fl oc velocities for different floc sizes allowed us to obtain an expression for the drag coefficient as a function of floc particle Reynolds number (Rep). The results were compared with floc settling velocity results from different researchers. The model is able to define the general behavior of fl oc settling velocity, which shows a reduction for larger fl ocs that is not taken into account in classical models. Only two parameters of the drag coefficient model for a permeable spherical particle are needed to be calibrated, for different types of sediments, in order to have more general applicability.

UAEM

Article

Aquaculture drag coeffi cient flocs flocs density fractal dimension permeable particle PIV PTV recirculation tank settling velocity BIOLOGÍA Y QUÍMICA

Caracterización geométrica y cinemáticade un chorro pulverizado empleando la técnica óptica PTV

Humberto Salinas Tapia CRUZ OCTAVIO ROBLES ROVELO Dagoberto Chávez Carlos CARLOS FRANCISCO BAUTISTA CAPETILLO (2014)

SALINAS-TAPIA, H., ROBLES-ROVELO, C.O., CHÁVEZ-CARLOS, D. & BAUTISTA-CAPETILLO, C.F. Caracteriza-ción geométrica y cinemática de un chorro pulverizado em-pleando la técnica óptica PTV.Tecnología y Ciencias del Agua.Vol. V, núm. 3, mayo-junio de 2014, pp. 125-140.Los fenómenos naturales o inducidos que involucran elmovimiento de gotas motivan análisis para determinaraspectos como la pérdida de suelo por erosión o los cambiosque pudieran ocurrir en la tasa de infiltración debido a laenergía con la que impactan sobre la superficie del suelo.El diámetro y la velocidad definen la magnitud del efecto.Para caracterizar estas variables se han aplicando diversastécnicas (papel sensible al agua, harina, inmersiones enaceite, ópticas y fotografía). En este sentido, la presenteinvestigación emplea velocimetría por rastreo de partículas(PTV) en la caracterización de gotas emitidas por unpulverizador de flujo. PTV ha encaminado parte de sudesarrollo al análisis de la velocidad de sedimentación enflujos bifásicos donde se requiere del sembrado de partículastrazadoras para evaluar el fenómeno; sin embargo, lascaracterísticas experimentales del trabajo obligaron a omitirel uso de estos elementos, por lo que fue indispensable haceradecuaciones al esquema propuesto por Salinaset al.(2006).Las gotas se originaron a una presión hidráulica constantede 175 kPa, las fotografías se capturaron a una distanciade 4.5 m con tres alturas diferentes del pulverizador. Lainformación recolectada (diámetros y velocidades) posibilitóla construcción de campos vectoriales de velocidad. Losresultados presentados derivan del análisis de 1 582 gotas,con las que se obtuvieron valores medios de 0.39, 0.55 y 0.34mm en diámetro, y 4.02, 3.70 y 3.63 ms-1en velocidad, paraalturas de 0.5, 1.0 y 1.5 m, respectivamente.

Article

Ciencias de la Tierra Caracterización de gotas técnica óptica PTV diámetro velocidad análisis estadístico CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Definition of critical hydrodynamic conditions for sediment motion initiation using optical technique

JUAN ANTONIO GARCIA ARAGON CARLOS DIAZ DELGADO KLEVER IZQUIERDO AYALA HUMBERTO SALINAS TAPIA (2016)

Sediment motion initiation experiments were performed in a glass rectangular channel, with a loose bed in the central part. The main goal is to obtain the critical hydrodynamic characteristics that causes sediment bed motion initiation, for different cohesionless sediment grain sizes. The optical technique of Particle Tracking Velocimetry (PTV) was used in order to determine the critical velocity profiles for sediment initiation of motion. Between the parameters that define this critical velocity profile is the one known as bed rugosity which represents the height of asperities in the bed. For conditions near bed motion initiation experimental velocity profiles were obtained and they allowed us also to define fluctuating velocities u´, v´ and a value of bed rugosity ks related to a representative grain size of the bed. It was shown that obtained critical velocity profiles are in good agreement with other works in the scientific literature provided an appropriate definition of bed rugosity is made.

Universidad Autónoma del Estado de México

Article

non-cohesive sediments motion initiation bed rugosity critical velocity profile PTV INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Software y caso de estudio en “Avances en Ciencias del Agua”

KHALIDOU MAMADOU BA CARLOS DIAZ DELGADO FRANCISCO MAGAÑA HERNANDEZ HUMBERTO SALINAS TAPIA (2015)

Las obras hidráulicas expuestas a fenómenos naturales como las inundaciones están en general diseñadas para resistir a la más grande crecida concebible o a una crecida con una probabilidad de excedencia dada. Mientras que la crecida máxima probable es el criterio de diseño privilegiado para estructuras de alto peligro tales como grandes presas, el análisis de frecuencia de crecidas es la herramienta estándar para diseñar vertedores, embalses, diques, alcantarillas, etc., de cualquier tamaño y para la valoración de la confi abilidad de estructuras existentes. Diversas funciones de distribución han sido sugeridas y utilizadas para el análisis de frecuencia de las crecidas, pero ninguna ha ganado apoyo unánime de ingenieros de proyectos y académicos. En este trabajo, se presenta una compilación de las funciones de distribución clásicas que se han venido usando para el análisis de eventos extremos y las de orden superior que han sido introducidas en años recientes. Se realizó, igualmente, un inventario de software existente y se presenta un caso de estudio utilizando el software HIDESTAD desarrollado por el Cuerpo Académico de Hidrología del CIRA-UAEM.

Universidad Autónoma del Estado de México Secretaría de Investigación y Estudios Avanzados

Book part

frecuencias de valores hidrología software INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Criterios hidrodinámicos para el diseño de sistemas de recirculación en acuicultura

JUAN ANTONIO GARCIA ARAGON Humberto Salinas Tapia VICTOR DIAZ PALOMAREZ BORIS MIGUEL LOPEZ REBOLLAR JAVIER MORENO GUEVARA LEONARDA MARIA FLORES GUTIERREZ (2014)

Con el objetivo de hacer más eficiente el uso del agua se ha desarrollado la técnica de sistemas cerrados de recirculación de agua (SRA) para acuicultura. Un aspecto que se ha relegado, en cuanto a los estudios de calidad de agua y biológicos, es el relativo a la hidrodinámica de esos tanques de recirculación. En este trabajo se describe una investigación experimental llevada a cabo en un modelo en plexiglass a escala reducida de dichos tanques de recirculación. En un tanque circular se utilizó comida para peces; los flóculos resultantes sirvieron de trazadores para establecer las características de sedimentación. Por medio de técnicas ópticas, velocimetría por imágenes de partículas (PIV), se pudo determinar una distribución óptima de difusores para lograr diferentes velocidades en el tanque, a fin de facilitar los procesos de floculación y, a su vez, los de sedimentación. Igualmente se propone un diseño del sedimentador central en función de las características de los flóculos y de su comportamiento hidrodinámico, en especial su velocidad de caída. Para calcular las velocidades de caída de los flóculos se utilizó la técnica de velocimetría por rastreo de partículas (PTV). Los resultados experimentales permitieron calibrar un modelo matemático de velocidades de caída de flóculos.

Article

Ciencias de la Tierra Acuicultura SRA flóculos PIV PTV velocidades de caída CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA