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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

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

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

HIGH-ACCURACY PARTICLE POSITIONING TOGETHER WITH OPTIMUM DATA DISPLAY FOR VELOCIMETRY APPLICATIONS

DAVID MORENO HERNANDEZ (2000)

"Three-dimensional position and velocity information can be extracted by directly analysing the diffraction patterns of seeding particles in imaging velocimetry using realtime CCD cameras. The Generalised Lorenz-Mie theory is shown to yield quantitative accurate models of particle position, such that it can be deduced from typical experimental particle images with an accuracy of the order of 20 µm and an error of 11 grey levels RMS, data obtained by comparing theoretical and experimental images. Both, the theory and experimental verification of the problem presented here are discussed. This thesis present also a method which determines the optimum grid size for interpolated velocimetry data, without making any priori assumptions about the velocity fields, the system used or analysis method. The method employs condition number as the main criterion for deciding the adequate grid size for a given data set. Data sets displayed accordingly are directly comparable, independently of differing experimental parameters or data processing methods. The discussion is based on Computational Fluid Dynamics (CFD) data of flow past the near wake of a cylinder from which simulated PIV images were generated. These images were analysed with the proposed method and the velocity estimates compared to the CFD data. The method was also applied to a sample PIV image of turbulent flow in a baffled tube."

Doctoral thesis

Particle image velocimetry 3D PIV Spherical particles CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA ÓPTICA

DEVELOPMENT OF THE PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) TECHNIQUE FOR THREE DIMENSIONS: TUNNELING VELOCIMETRY

J. Ascención Guerrero Viramontes (2002)

"Conventional velocimetry has an intrinsic limitation because it yields 2D data, neglecting the third velocity component. For this reason, 3D-PIV has recently evolved as an area of research with success at the cost of increasing complexity in its methodology. The increased complexity and the limited optical access found in most industrial applications, meant that many of the 3D-PIV techniques, although of academic interest, cannot be used in practical industrial applications. For practical applications restricted viewing eliminates stereoscopic approaches. Lack of robustness and ease to perform an experiment make of conventional holography an unattractive option due to the fact that it involves a wet developing process, hence is very slow to yield results. However, its large depth of field and storing capacity makes it a technique that should, under the correct environment, be used. Scanning light-sheets are difficult to obtain for restricted optical access and high speeds, so they have not been tried in industrial conditions.

The required capabilities for 3D real-time measurement include the following three aspects: illumination of a volume rather than a plane, particle positioning in 3D from 2D camera information, and positioning calculation at low-magnification. Three-dimensional position and velocity information can be extracted by directly analyzing the diffraction patterns of seeding particles in imaging velocimetry using real-time CCD cameras. The Generalised Lorenz-Mie theory is shown to yield quantitative accurate models of particle position, such that it can be deduced with good accuracy from typical experimental particle images. Tunneling Velocimetry, the proposed technique to perform 3D velocity measurements, is able to provide the means to obtain particle images in a volume of interest rather than on a light sheet. Moreover, with this technique pressure and temperature measurements are feasible from the system background surface. The research reported here is concentrated in the experimental characterization of Tunneling Velocimetry and the problems involved with it. A discussion of the preliminary results is presented."

Doctoral thesis

3D-PIV Velocity measurement Temperature measurements Diffraction Tunneling velocimetry CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA FÍSICA DE FLUÍDOS FÍSICA DE FLUÍDOS

MEDICIÓN DE VELOCIDAD DE FLUÍDOS EN 3D

CARLOS ISMAEL MARES CASTRO (2010)

"La motivación de este trabajo fue implementar un método óptico robusto para la medición de velocidad tridimensional en flujos de fluidos. Cuando el flujo es bidimensional, las técnicas de velocimetría por imágenes de partículas 2D, PIV 2D, funcionan adecuadamente. Sin embargo, la naturaleza de la mayoría de los flujos son 3D y no bidimensionales, sobre todo aquellos encontrados en aplicaciones industriales. Uno de los métodos 3D más robustos es el estereoscópico, el cual usa dos diferentes vistas del mismo objeto con el fin de obtener las 3 componentes de desplazamiento (o velocidad) originadas entre dos estados consecutivos. Existen dos variantes principales de los métodos estereoscópicos, la de traslación y la de rotación (Scheimpflug). Esta última es la que ha tenido un uso generalizado tanto en problemas de investigación como de aplicación. Sin embargo, en este trabajo se explora la configuración de traslación por dos razones. Primero, en este tipo de arreglo los efectos de perspectiva son nulos y en segundo término, en la literatura no se encontraron argumentos sólidos que describieran el porqué de su uso limitado.

Debido a que los métodos estereoscópicos hacen uso de dos cálculos de PIV 2D, en este trabajo primeramente se analizan los elementos más importantes involucrados en esta técnica. Entre ellos, en los Capítulos 1 y 2 se mencionan los siguientes: fuente de luz, partículas, fluido, cámara, lente, método de comparación y método de detección de pico. Para comprender la influencia de diversos parámetros en la precisión del método PIV 2D se lleva a cabo un análisis de Montecarlo. Esto se describe en el Capítulo 2. Los resultados obtenidos coinciden con los reportados en la literatura. En el Capítulo 3, el método de Montecarlo se extiende al método 3D de traslación. Aquí también se corrobora lo encontrado en diversas publicaciones. Por ejemplo, se encuentra que el método es en particular influenciado por el ángulo de visión y por el rango de desplazamiento entre dos imágenes consecutivas. Respecto al último punto, en este trabajo se encuentra que el rango de desplazamientos óptimo es de alrededor de 6 pix. Para mostrar la aplicabilidad del método, en el Capítulo 4, se incluyen 3 tipos de aplicaciones en diferentes medios: agua (análisis de una turbina), aire (estudio de convección forzada) y gelatina (análisis de hidrofracturamiento en un modelo geológico)."

Master thesis

PIV, PARTÍCULAS, LÁSERES, ESTEREOSCOPÍA, ANÁLISIS NUMÉRICO CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA FÍSICA DE FLUÍDOS

ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE VELOCIMETRÍA ÓPTICA PARA HACER MEDICIONES DE TEMPERATURA Y VELOCIDAD

ADRIAN MARTINEZ GONZALEZ (2014)

"La medición de la temperatura en flujo de fluidos tiene gran importancia en varias áreas de la ciencia. El fluido provocado por una placa caliente se ha estudiado extensivamente por un gran número de investigadores y tomado como un modelo de referencia para el estudio de algunas técnicas de fluidos o calibración de instrumentos. Este fenómeno es encontrado en muchas aplicaciones de ingeniería como ventiladores de enfriamiento para equipos electrónicos, calefacción, producción de energía, procesos de solidificación, colectores solares y dispositivos de almacenamiento de energía, así como en situaciones naturales en las áreas de la astrofísica, geofísica y las ciencias atmosféricas, entre otros. En los flujos de convección, además de la temperatura está involucrada la velocidad del fluido. Un flujo de convección se controla si se entiende profundamente el fenómeno físico involucrado. Por esta razón, las mediciones tanto de velocidad como de temperatura son necesarias para tener una caracterización apropiada del flujo de convección.

En esta tesis mostramos que el sistema óptico de schlieren clásico, en configuración Z, nos permite medir simultáneamente velocidad y temperatura en flujos de convección. La técnica la aplicamos a flujos de convección en agua y en aire. El flujo de convección provocado con una placa de 7.3x12 cm la cual permite el control para diferentes temperaturas. Para el caso del líquido, el agua se deposita en un recipiente de 71x27x2 mm y este se coloca sobre la placa con control de temperatura. La medición de la temperatura se lleva a cabo relacionando el nivel de intensidad de cada pixel de las imágenes de schlieren a la posición de la navaja en la salida del plano focal del espejo secundario del sistema schlieren. La velocidad del flujo para el caso del agua es relativamente fácil de medir agregando partículas al fluido. En el caso del flujo de convección en aire se complica esta situación cuando las partículas no siguen el comportamiento natural del flujo, por lo que se utilizó el método de flujo óptico para calcular la velocidad del aire que fue el flujo de prueba empleado."

Doctoral thesis

TEMPERATURA, VELOCIDAD EN LÍQUIDOS, VELOCIDAD EN AIRE, FLUJO ÓPTICO, MÉTODO PIV CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

INSTRUMENTACIÓN ÓPTICA PARA LA MEDICIÓN VOLUMÉTRICA DE VELOCIDAD DENTRO DE UN TÚNEL DE VIENTO

JORGE EDUARDO AGUIRRE ROCHA (2017)

"En esta tesis se desarrolló la instrumentación óptica necesaria para realizar mediciones de velocidad en volumen de flujos dentro de un túnel de viento. La medición de velocidad se hizo en la estela del flujo de aire que pasa por un cilindro usando velocimetría por partículas de imágenes (Particle Image Velocimetry-PIV). Para poder realizar dichas mediciones la propuesta incluye el diseño y construcción de un túnel de viento de baja velocidad, la instrumentación necesaria para operar el túnel de viento a diferentes velocidades y la instrumentación óptica para realizar la técnica de PIV.

La instrumentación realizada para operar el túnel de viento corresponde a un control de movimiento lateral del túnel de viento usando un motor a pasos, control de velocidad de un motor que establece la velocidad del flujo en la sección de trabajo del túnel de viento, control de dosificado homogéneo de partículas en el túnel de viento y la construcción de un sistema de extracción de partículas del laboratorio. La instrumentación óptica desarrollada para realizar PIV corresponde al diseño mecánico de monturas para lentes cilíndricas, puesta en operación de un láser semiconductor de 10 Watts de potencia y manejo de una cámara digital de alta velocidad.

La sección de trabajo del túnel de viento construido es de 20x20x50 cm3 y tiene una velocidad mínima y máxima de 0.1 y 4.9 m/s respectivamente. Las mediciones usando PIV se hicieron para el flujo que pasa a través de un cilindro de 10.2 milímetros de diámetro a una velocidad de 0.16 m/s. Las mediciones del flujo se hicieron en 10 secciones en la dirección lateral con una separación de 1 mm cada una. Esto permitió tener un volumen de medición de la velocidad del flujo de aproximadamente de 40x20x10 mm3. La instrumentación óptica realizada permite obtener información de la velocidad del flujo dentro de un volumen. Este tipo de datos obtenidos experimentalmente aportan información relevante para diseños y validación de simulaciones en dinámica de fluidos."

Master thesis

PIV, VELOCIMETRÍA, TÚNEL DE VIENTO, LÁSER, CÁMARA DE ALTA VELOCIDAD, INSTRUMENTACIÓN ÓPTICA, MEDICIÓN DE VELOCIDAD EN CILINDROS, GENERACIÓN DE PARTÍCULAS DE HUMO, PIV CON MÚLTIPLES PLANOS DE MEDICIÓN CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA INSTRUMENTOS ÓPTICOS

COMPARISION OF 3 TECHNIQUES USED FOR THE ESTIMATION OF DISPLACEMENT IN PIV

Rafael Guillermo Gonzalez Acuña (2016)

"Results of numerical simulations related to the application of three processing techniques in PIV are presented. The compared techniques are the standard correlation method via Fourier transform, an optical flow method (Lucas-Kanade method) and a combination of the latter and a artificial intelligence algorithm. The parameters under analysis are the particle density, the diameter of the particles, the range of displacement, the type of displacement (constant, vortex-like and sinusoidal), the noise of displacement, the size of the subimage, the intensity variations, and the profile of the particles (rectangle, Gaussian and triangular). Plots of percentage relative errors are included for each parameter. The main findings are that the correlation technique yields the best results in general and that the other two techniques show their best performance when applied to low-contrast images."

Master thesis

PIV METHODS, IMAGE VELOCIMETRY AND CORRELATION OF IMAGES, LUCASKANADE ALGORITHM, ARTIFICIAL INTELLIGENCE CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA