Maestría en Ingeniería Mecánica

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Estudio experimental de la cinemática fetal en un útero grávido artificial
(Universidad Industrial de Santander, 2025-04-30) Mantilla Villalobos, Jairo Andrés; Villegas Bermúdez, Diego Fernando; Martínez Bordes, Gabriela; del Jesús Martínez, Manuel
Las múltiples complicaciones en la salud de los prematuros constituyen la principal causa de mortalidad en niños menores de 5 años. Debido a su condición crítica, los prematuros requieren estancias hospitalarias prolongadas, lo que aumenta el riesgo de infecciones y afecta la salud mental de los padres, generando un alto costo para el sistema de salud y constituyendo un grave problema de salud pública. Para mitigar esta problemática, se ha pensado que la implementación de un dispositivo tipo cuna que emule las condiciones cinemáticas que experimenta el feto en el útero materno, lograría una mejoría en la recuperación del prematuro. Este trabajo consistió en la medición de la cinemática fetal inducida por la caminata suave de la madre, a través del desarrollo experimental de un sistema dinámico compuesto por una plataforma rotativa, el útero, el feto y el líquido amniótico. Las pruebas se realizaron para una presentación cefálica con orientación occipital anterior izquierda. Los resultados sugieren que el movimiento fetal sigue el mismo patrón que el movimiento pélvico, observándose una disminución del 23% en la amplitud del movimiento para la rotación sagital/transversal de la pelvis, mientras que para la rotación frontal/transversal de la pelvis no se documentó pérdida de amplitud. La presencia del líquido amniótico que actuó absorbiendo y disipando parte de la energía, y el posible deslizamiento del feto con respecto a las paredes uterinas serían los causantes de esta disminución de amplitud. La sincronización entre el movimiento pélvico y el movimiento fetal se explica por las restricciones espaciales en la cavidad intrauterina y por el peso fetal en el tercer trimestre de gestación.
Evaluación de la pirólisis como método de termo-conversión y recuperación de plásticos de un solo uso en combustible líquido
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-09) Lizarazo Sánchez, Edinson; Rueda Ordóñez, Yesid Javier; Rueda Ordóñez, Diego Andres; Franco Jácome, Diego Luis; Flórez Mera, Juan Pablo
El polietileno de alta densidad (PEAD), polietileno de baja densidad (PEBD) y polipropileno (PP) fueron procesados mediante pirólisis a diferentes temperaturas (500°C, 550°C y 600°C), con una tasa de calentamiento de 20°C/min y un tiempo de residencia de 60 minutos. A 550°C, el PEAD presentó el mayor rendimiento en la fracción condensable. También se estudiaron mezclas de plásticos en proporciones 50/50 en base a masa, donde la combinación PEAD/PEBD mostró el mayor rendimiento en fracción condensable. Posteriormente, se llevó a cabo la destilación de las fracciones condensables obtenidas, donde el líquido destilado del PEAD presentó el mayor rendimiento. Este líquido fue caracterizado mediante sus propiedades fisicoquímicas, obteniendo una densidad de 0.774 g/ml, una viscosidad cinemática de 2.22 cSt y un poder calorífico de 49.63 MJ/kg, valores comparables a los del diésel. Finalmente, se realizó una simulación del proceso de pirólisis del PEAD en Aspen Plus para evaluar su viabilidad técnico-económica. Se determinó que el aceite pirolítico debería venderse a $0.80/kg para alcanzar una Tasa Interna de Retorno (TIR) del 15%, con un período de recuperación de 7.3 años. Estos resultados sugieren que, bajo las condiciones establecidas, la pirólisis de PEAD es una alternativa viable para la valorización de residuos plásticos, con una rentabilidad aceptable a largo plazo.
Dinámica y navegación autónoma a través de cultivos de palma para dron hexarrotor basada en aprendizaje por refuerzo
(Universidad Industrial de Santander, 2025-01-31) Navas Torres, Óscar Miguel; Borrás Pinilla, Carlos; Carreño Zagarra, José Jorge; Hazbón Álvarez, Omar
Este trabajo detalla la metodología utilizada para desarrollar un sistema de navegación autónoma para un dron hexarrotor, diseñado para operar en plantaciones simuladas de palma de aceite. La primera fase del proyecto consistió en la creación de un modelo dinámico no lineal, utilizando la dinámica de Lagrange que incluye fuerzas de vientos externos y efectos giroscópicos. Matlab fue empleado para realizar operaciones simbólicas permitiendo de esta forma la obtención eficiente de las ecuaciones de movimiento del dron. El sistema de navegación está compuesto por dos controladores: un controlador LQG-Integral y un controlador basado en aprendizaje por refuerzo. El controlador LQG-Integral (Linear Quadratic Gaussian) se encargó del seguimiento preciso de la trayectoria para las coordenadas de posición del dron. Este controlador fue comparado con controladores PID y LQG en términos de precisión, estabilidad y respuesta dinámica. Los resultados demostraron que el LQG-Integral es el más efectivo, eliminando errores en estado estable y proporcionando un seguimiento de trayectoria superior. Por otro lado, el controlador de alto nivel basado en la estrategia de aprendizaje por refuerzo DDDQN (Dueling Double Deep Q-Network), fue responsable de la planificación de trayectorias locales y la evasión de obstáculos. Este controlador permitió al dron navegar de manera eficiente en el entorno simulado, evitando obstáculos de forma efectiva. La implementación y prueba del sistema en el simulador Gazebo permitieron validar el comportamiento del dron en un entorno con dinámica realista, sin necesidad de pruebas en drones y cultivo reales. Durante el entrenamiento, el agente autónomo mostró una notable mejora en la navegación, reduciendo la longitud de las rutas y minimizando la activación de las rutinas de evasión de emergencia, evidenciando un avance constante en su rendimiento y eficiencia.
Análisis del crecimiento de la plántula Coffea arabica mediante la implementación del aprendizaje automático en la agricultura de precisión
(Universidad Industrial de Santander, 2024-08-28) Hernández Salazar, Cristian Andrés; González Estrada, Octavio Andrés; Argüello Plata, Juan David; Díaz Rodríguez, Miguel Ángel; Ríos Díaz, Yennifer Yuliana
La creciente demanda global de alimentos requiere incrementar la productividad agrícola mediante tecnologías modernas. Este estudio explora la aplicación de inteligencia artificial (IA) en la agricultura de precisión para cultivos de Coffea arabica. En la finca Los Ángeles, ubicada en el Páramo, Santander, se sembraron 66 plántulas de Coffea arabica, variedad Castilla, en un área de 18 m² dividida en cuatro zonas: control, riego, fertilización y una combinación de ambos. Durante seis meses (180 días), el dispositivo FarmBot, equipado con sensores y cámaras, monitorizó las plántulas, registrando datos sobre riego, temperatura, precipitación y crecimiento de las plantas. El FarmBot demostró ser efectivo en el seguimiento de las plántulas, con la Zona A (control) mostrando el mayor crecimiento en altura (39 cm) y diámetro (52 cm) después de seis meses (180 días). Las Zonas B (riego), C (fertilización) y D (combinación) también presentaron variaciones significativas, evidenciando la importancia de un manejo adecuado del riego y los fertilizantes. Para el análisis de las plantas, se utilizaron técnicas de segmentación de imágenes basadas en modelos de color HSV y LAB, lgoritmos de clasificación Naïve Bayes y redes neuronales U2- net. La predicción del crecimiento se realizó mediante modelos LSTM, validados con una validación cruzada k-fold, mostrando una pérdida mínima en los últimos pliegues y una proyección precisa del crecimiento en diámetro y altura durante 30 días. La implementación de IA en la agricultura de precisión demostró ser efectiva para mejorar la eficiencia y sostenibilidad del cultivo de Coffea arabica. Los datos precisos obtenidos por el FarmBot, combinados con técnicas avanzadas de segmentación y modelos de predicción, permitieron optimizar el manejo del riego y la fertilización. La validación cruzada del modelo LSTM confirmó su fiabilidad para predecir tendencias de crecimiento, resaltando la importancia de ajustar las condiciones de cultivo para maximizar el rendimiento.
Modelo de detección y tolerante a fallas con observadores para un servosistema electrohidráulico de posición
(Universidad Industrial de Santander, 2024-02-28) Hoyos Arteaga, Néstor Segundo; Borrás Pinilla, Carlos; Núñez Rodríguez, Rafael Augusto; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo
Este proyecto busca incentivar la investigación en técnicas de mantenimiento predictivos y gestión de fallas que se presentan en procesos industriales brindando la posibilidad de reducir costos de man-tenimiento, reducción en riesgos de seguridad y extender la vida útil de los equipos. Considerando el sistema físico y las ecuaciones que gobiernan su comportamiento matemático y dinámico se planteó un modelado, el diseño e implementación de un sistema residual y observador óptimo de Kalman para el sistema de la mesa sísmica hidráulica uniaxial del grupo de investigación DICBoT de la uni-versidad Industrial de Santander. Se implementó un sistema de residuos para detectar las fallas internas en los sellos del pistón de un servo-actuador electrohidráulico (Fallos de 0%, 10%, 20%, hasta 30% del flujo nominal de trabajo) y fallos del sensor de posición LVDT, el filtro de Kalman permito la tolerancia a las fallas por ruido en el sensor de posición. Se tomaron datos de posición para señales seno 1.0 [Hz] para realizar el proce-samiento de señales y extracción de características. Se realizo la identificación del parámetro fuga y se estableció un intervalo de confianza para detectar las fallas, se realizó validación del funcionamiento del modelo y se comparó la respuesta con mode-los de otros trabajos acerca de la misma temática.
Caracterización hidrodinámica de flujos multifase empleando técnicas de inteligencia artificial
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Ruiz Diaz, Carlos Mauricio; González Estrada, Octavio Andrés; González Silva, Germán; Hernández Cely, Marlon Mauricio
Dada la importancia del control de procesos en la industria petroquímica, existe la necesidad de caracterizar los fluidos en el interior de las tuberías. En este trabajo se desarrolla una metodología para la identificación de patrones de flujo, cálculo de velocidades superficiales y cálculo de la fracción volumétrica de flujos bifásicos en tuberías verticales y horizontales con diámetros entre 0.01 y 0.1 [m], a partir de la implementación de técnicas de inteligencia artificial, para una combinación líquida de dos fases compuesta por aceite con viscosidad en el rango de 792 a 1823 [Kg/m³] y agua a temperatura ambiente. Los modelos predictivos generados en la estructuración de la metodología fueron entrenados con el 70% de los datos basados en parámetros de viscosidad, diámetro de la tubería, número de Reynolds, fracciones volumétricas y velocidades superficiales de los fluidos de trabajo almacenados en bases de datos para tubería horizontal y vertical. La información restante, equivalente al 30% del total, se utilizó para desarrollar la validación automática de los modelos. Los patrones de flujo identificados por el sistema inteligente para el flujo bifásico de aceite y agua son: agitado (CHURN), disperso (D), dispersión muy fina (VFD), flujo de transición (TF), intermitente (S), estratificado (ST) y anular (A), y en conjunto con los valores de velocidades superficiales y fracciones volumétricas generados por los modelos predictivos, alcanzaron un mayor nivel de aproximación con los valores experimentales al implementar estructuras de redes neuronales, dado que los modelos ANFIS presentaban valores superiores a los generados por las RNA, siendo estos 0.00016, 0.99798 y 0.1988 %, correspondientes al MSE, R² Y MAPE respectivamente
Adaptación y evaluación del desempeño de un generador electrónico utilizando biogás como combustible
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Patiño Molina, Franklin Julián; Chacón Velasco, Jorge Luis; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto; Castellanos Olarte, Javier Mauricio
El presente trabajo aborda la adaptación de un motor de encendido por chispa utilizando un mezclador tipo Venturi dimensionado según la metodología de Von Miztlaff. Se desarrollaron pruebas experimentales que permitieron generar una línea base para los parámetros de desempeño del motor, consumo y potencia desarrollada. La optimización se realizó utilizando el software de dinámica de fluidos computacional ANSYS FLUENT y la técnica estadística boxBenken. El objetivo fue encontrar una combinación de parámetros geométricos del mezclador (área de garganta venturi, área de entrada de biogás y número de orificios de entrada) que permitiera mejorar la respuesta en cuanto a la relación airecombustible, la caída de presión generada y la calidad. de la mezcla de la corriente de aire y el biogás. El uso de la tecnología de impresión 3D permitió la construcción de modelos CAD de los mezcladores básicos y optimizados para sus pruebas operativas, las cuales fueron desarrolladas utilizando gasolina y biogás como combustible para el motorgenerador. Además, se utilizó un carburador comercial LPGGN para establecer la línea base de comparación del motorgenerador alimentado por un combustible gaseoso. Dichas pruebas se desarrollaron en un banco de pruebas diseñado y construido durante el presente trabajo de investigación utilizando elementos de registro y adquisición de datos de fuente abierta
Control robusto semi-activo para una estructura flexible tipo puente
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Becerra Rivera, Erik Fabian; Borras Pinilla, Carlos; Chio Cho, Gustavo
Este trabajo detalla la metodología para implementar un control robusto estructural semiactivo sobre una estructura flexible tipo puente utilizando amortiguadores magneto reológicos (MR) y permite observar el grado de mitigación lograda sobre un modelo simplificado ideal del puente y a su vez sobre un modelo de elementos finitos que tiene en cuenta la instalación de amortiguadores MR en un disposición real y posible en términos de montaje. Se parte de un modelo simplificado del puente como un sistema generalizado de un solo grado de libertad con el cual se realiza implementa el controlador calculado en un modelo de elementos finitos del mismo puente y se comparan los resultados obtenidos con los dos modelos. El control logra superar no linealidades del modelo Bouc Wen del amortiguador MR para lo cual utiliza las señales de un estimador MR inverso. Los resultados muestran que el controlador robusto semiactivo permite mitigar los efectos de una perturbación sísmica de prueba a pesar de las no linealidades del amortiguador MR y las incertidumbres paramétricas multiplicativas en la estructura, además de validar la hipótesis del uso de un modelo de un grado de libertad para calcular el controlador y la implementación por el método de elementos finitos de una configuración realista de amortiguadores MR en un modelo más detallado del puente.
Diseño y construcción de un sistema de producción de extractos vegetales
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Arguello Plata, Juan David; Gelvez Arocha, Omar Armando
El proceso de extracción basado en el método de dispersión de la matriz en fasesólida, MSPD, consiste de tres etapas. La primera es la etapa de pretratamiento,o de molienda, en donde se busca disminuir el tamaño de partícula del materialorgánico con el fin de incrementar el área de transferencia de masa. La siguientese trata de la etapa de elución y filtrado, en donde se produce la extracciónde metabolitos secundarios a través de un solvente; luego, se filtra el materialparticulado para obtener la mezcla homogénea solvente - extracto. Finalmente, sedesarrolla una etapa de separación de sustancias, en donde se separa el solventedel extracto (producto final). Se propone una metodología de diseño automático del sistema de elución y filtrado que simula el comportamiento fluidodinámico durante la etapa de filtrado,permitiendo predecir el grado de concentración de partículas a lo largo del sistemaa través de un modelo numérico basado en CFD-DEM. Esta metodología ha sidoelaborada con herramientas de código abierto. Utilizando Python como lenguajebase, Jupyter como entorno de desarrollo, ParaView como plataforma de análisisde resultados y librerías de C++ (como Yade, LIGGGHTS y OpenFoam) para eldesarrollo de las simulaciones numéricas.
Viabilidad técnica de un sistema de climatización deotermica para edificaciones sostenibles en el trópico
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Peñaloza Peña, Sergio Alexander; Jaramillo Ibarra, Julian Ernesto
La actividad constructora es una de las mayores consumidoras de recursos naturales. Las edificaciones en su vida útil son responsables de generar el 30% de las emisiones de CO2, producen un 40% de los residuos humanos y requieren aproximadamente el 40% de la energía global para su funcionamiento. Se han hecho esfuerzos globales enfocados en la reducción del consumo, aumento de la eficiencia de los sistemas y el uso racional de los recursos naturales. Una de las alternativas para la climatización eficiente es el uso de la energía geotérmica en sistemas de intercambio térmico Earth to Air Heat Exchanger (EAHE). Por tanto, Con el propósito de adoptar iniciativas de construcción sostenible que disminuyan el consumo energético y el impacto ambiental, este trabajo de investigación busca evaluar la viabilidad técnica y económica de un intercambiador geotérmico EAHE para ser implementado en edificaciones en el trópico, específicamente en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Industrial de Santander. Para ello, de determinaron las propiedades termo físicas y comportamiento térmico del terreno en el sitio de interés, se caracterizó el espacio a acondicionar, se modelo matemáticamente el intercambiador, se definió un diseño, y se realizaron algunas consideraciones económicas. Finalmente, se concluye que el intercambiador tiene la capacidad de realizar una entrega de aire con una temperatura de entre 20 y 24°C durante los días del año, lo anterior, sin sufrir efectos de sobrecarga térmica en el terreno, y dando viabilidad técnica y económica al proyecto estudiado.
Modelado hidráulico y térmico del sistema hidrológico ciénaga Miramar, caño rosario, rio magdalena afectado por los vertimientos de aguas residuales industriales en Barrancabermeja
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Jaimes Ortiz, William Santiago; Fuentes Díaz, David Alfredo
En la naturaleza y nuestro entorno f acilmente se pueden observar estructuras hidr aulicas donde los uidos se unen y mezclan en alg un punto de dicha estructura. El modelamiento num erico de estos sistemas permite observar y estudiar la din amica del uido cuando se somete a diferentes condiciones de geometr a y velocidad de ujo y toma relevancia en la medida que se requiera analizar los efectos de la velocidad, zona de mezcla y desarrollo del uido que afecten, en el caso de estructuras naturales, el ecosistema de una zona. Adicionalmente existen consecuencias sobre el comportamiento de un uido debido a los cambios de temperatura que se somete; por ejemplo, se puede ver afectado el ox geno disuelto OD lo que implicar a cambios dr asticos del ecosistema dentro y alrededor de la estructura hidr aulica. As que se implement o en openFoam un modelo que permita analizar la din amica, per les de velocidad y per les de temperatura de la ci enaga Miramar ubicada en la ciudad de Barrancabermeja cuando se somete a ujos de entrada con ciertas condiciones de velocidad o temperatura producto de los vertimientos provenientes de los ca~nos principales Camelias y Lavanderas. Para comprobar la validez del modelo, primero se realiza una comparaci on del bechmarck experimental de Weber, Schumate y Mawer (2001) que calcula los campos vectoriales y per les de velocidad de ujos de agua en canales cruzados a 90 frente a los resultados entregados por el modelo en las mismas condiciones geom etricas. De all se observa la precisi on del modelo para nalmente encontrar la soluci on en la ci enaga propuesta y corroborar la informaci on del modelo con datos del ca~no Rosario a la salida de la ci enaga.
Assessment of thermal decomposition of rice husk and its blend with rice straw
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Serrano Bayona, Raúl Andrés; Rueda Ordoñez, Yesid Javier; Maradei García, María Paola; Gelvez Arocha, Omar Armando
Actualmente, en países en desarrollo, el residuo agrícola de la industria arrocera, específicamente la cascarilla de arroz la cual es recogida en los molinos es quemada para obtener calor en calderas para vapor y en secadores de aire, y la paja de arroz que es obtenida en la etapa de cosecha, es dejada en el campo como un fertilizante complementario. Este trabajo tiene como objetivo el estudiar la mejora de las características térmicas y evaluar el rendimiento en masa de productos y sus composiciones obtenidas de la combustión, pirólisis y gasificación de los residuos de la industria arrocera en el departamento de Casanare, mediante la adición de paja de arroz a la cascarilla de arroz. Así, este trabajo comparó el comportamiento de la descomposición térmica de estos dos materiales de biomasa mediante análisis termogravimétrico en atmósfera inerte y oxidativa. El mecanismo de reacción que describe el proceso de descomposición térmica fue determinado también, seleccionado de los modelos de reacción global, reacciones paralelas independientes y reacciones consecutivas. Un analizador de gases fue usado en el montaje experimental del proceso de combustión para la medición de emisiones. Las pruebas de pirólisis fueron realizadas mediante un montaje con un reactor usando N2 como gas de arrastre y variando la temperatura del proceso, con el fin de medir los rendimientos de masa de bioaceite y biochar. Para la realización del proceso de gasificación, un montaje similar fue usado, donde aire comprimido fue suministrado de acuerdo con la relación de equivalencia (ER). Después, la composición del gas de síntesis obtenido fue medida en un cromatógrafo de gases. Los análisis próximos, últimos y estructurales fueron llevados a cabo bajo estándares de la ASTM, al igual que el análisis de calorimetría en base húmeda para determinación del poder calorífico. El porcentaje de desviación promedio (AD %) menor al 5% fue considerado como un criterio estadístico para evaluar la exactitud en los resultados experimentales. Los resultados obtenidos de este trabajo presentaron un valor mayor de poder calorífico en las muestras de paja de arroz, siendo más adecuada para el proceso de combustión. Sin embargo, la relación de aire en exceso dió la influencia directa más representativa sobre este mismo proceso. Esto es opuesto a la tendencia encontrada en la pirólisis y gasificación, donde la temperatura del reactor fue establecida como un factor y fue la más influyente sobre estas conversiones térmicas. Finalmente, el modelo cinético que representó mejor el proceso de descomposición térmica fue el de reacciones consecutivas.
Evaluación térmica por métodos computacionales de un modelo de hornilla panelera
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Meneses Chacon, Edxon Stiven; Jaramillo Ibarra, Julian Ernesto; Mas De Les Valls, Elisabet
La panela es un producto derivado de la ca˜na de az´ucar. Este se prepara usando una hornilla tradicional ´ dise˜nada especialmente para este prop´osito. Seg´un estudios encontrados en la literatura, se identific´o que la eficiencia t´ermica de las hornillas paneleras es en promedio 30 %. Esta investigaci´on tiene como objetivo contribuir en la b´usqueda de nuevas soluciones para el mejoramiento de esta eficiencia, afectando principalmente el ducto de humos. El desarrollo de esta tesis es como sigue: primero, se realiza una evaluaci´on de los modelo num´ericos con casos benchmark. Se simularon dos casos muy conocidos, uno en convecci´on natural y otro en convecci´on forzada. Se hace ´enfasis en la importancia del fen´omeno de radiaci´on, el impacto del espesor ´optico y el efecto de ´este en los resultados. Luego, basado en la soluci´on de los anteriores, se realiza una simulaci´on en un caso simplificado. En ´este se realiza un proceso de validaci´on adicional siguiendo los lineamientos establecidos en la secci´on de los casos bencmark. Por ´ultimo, se eval´uan tres opciones de mejora. De estas, se rasaltan dos con resultados bastante prometedores. Una de ellas emplea l´aminas rectangulares ubicadas paralelas a la dicrreci´on del flujo. Todas las simulaciones en esta investigaci´on fueron realizadas con el c´odigo OpenFOAM.
Análisis aerodinámico de los alabes de un cohete transportador en cfd
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Garcia Rodriguez, Luis Fernando; Jaramillo Ibarra, Julian Ernesto; Guida, Domenico
La caracterización aerodinámica de una ala modificada tiene un alto impacto económico y ambiental debido a que una reducción del arrastre del 1% puede ahorrar hasta litros de combustible y evitar [kg] de emisiones de carbón al año en la industria aeroespacial. Un cohete transportador es usado para llevar pequeñas cargas desde la tierra al espacio y su vuelo se enfrenta a recirculaciones que tienden a desviar al cohete de su órbita. Para contrarestar este efecto, la presente investigación analiza un nuevo diseño de un ala que incluye un mecanismo de direccionamiento de vuelo. Primero se valida la implementación del solver en OpenFOAM al realizar una simulación 2D estacionaria del perfil aeordinámico NACA0012 bajo las condiciones de flujo altas subsónicas de interés: Mach de 0.5 y . Sus resultados son comparados con de 20% y desviación estándar de 0,15 en los resultados. Después se caracteriza el diseño 3D total de la nueva ala y se comparan sus resultados con los de otra simulación en la que no se incluye el mecanismo. Esto permite determinar que bajo un ángulo de ataque, , la distribución del coeficiente de presión del diseño total del ala aumenta en un 221% por el mecanismo de direccionamiento. Además, la caracterización aerodinámica del ala sin el mecanismo se describe por su y un y el diseño total genera un y un , lo cual indica que el mecanismo de direccionamiento disminuye la eficiencia aerodinámica en un 53.7%. Ante esta pérdida de eficiencia, se debe caracterizar el consumo de combustible al independizar la estabilidad aerodinámica del motor del cohete con el uso de esta ala.
Modelamiento y simulación de un sistema de regeneración de energía en vehículos de carga pesada
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Duran Sarmiento, Miguel Arlenzo; Borras Pinilla, Carlos
El trabajo de investigación descrito en este documento consistió en el modelamiento y simulación de un sistema de regeneración de energía de frenado para vehículos de carga pesada, para mejorar la eficiencia energética del mismo, utilizando la plataforma Simulink de Matlab. El modelo del sistema de regeneración permite comparar la operación de dicho sistema entre un vehículo estándar de carga y uno con el sistema regenerativo teniendo en cuenta el ciclo de manejo del móvil. Para tal fin, se desarrolló un circuito hidráulico integrado al vehículo que conmuta su operación dependiendo de los requerimientos de velocidad, ya sea propulsión, frenado o velocidad constante. Se evaluaron en este modelo dos perfiles de velocidad, un perfil estándar europeo de manejo y un perfil de velocidades en el territorio colombiano. También se simuló el sistema teniendo en cuenta dos características; la capacidad volumétrica de la bomba/motor hidráulico fija y variable, los resultados obtenidos comparando los dos atributos reflejan un aumento en la eficiencia del sistema de regeneración para la capacidad volumétrica variable cercana al 7%. Los resultados obtenidos en este trabajo evidencian la importancia del tema investigado, ya que muestran disminuciones en la energía requerida por el vehículo disminuyendo de igual forma el consumo de combustible y la emisión de gases contaminantes.
Diagnóstico de fallas en bombas hidráulicas de pistones axiales, aplicando redes neuronales artificiales (ann´s)
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Maradey Lazaro, Jessica Gissella; Borras Pinilla, Carlos; Diaz, Pedro
El trabajo descrito en este documento consistió en establecer una metodología para el diagnóstico de la falla de desgaste de plato de válvula en una bomba hidráulica de pistones axiales usando un banco de pruebas de 40HP de potencia, en el cual se indujeron 5 condiciones de falla asociadas con la pérdida de eficiencia volumétrica de la bomba. A partir de las señales de vibración y presión tomadas de la bomba en operación normal y operación de falla, se realizó análisis preliminar de las señales (corrección línea base, eliminación de tendencias, filtrado), las gráficas espectrales (Spectral Density Power, PSD) de cada una de las condiciones, la extracción de características mediante el uso de Wavelet Packet Transform (WPT), y por último el diseño de diferentes arquitecturas de red neuronal (NN) tales como Adaline, multilayer perceptron de una capa y dos capas, y dos redes no lineares, las cuales fueron entrenadas y validadas. Adicionalmente se implementó una técnica para selección de características de acuerdo a su significancia la cual es conocida Independent Features La metodología propuesta presenta resultados satisfactorios en las tareas de detección, clasificación y diagnóstico de la falla de desgaste de plato de válvula para bombas de pistones axiales logrando una precisión en la etapa de entrenamiento del 100% y en la etapa de prueba del 95.8% tomando las señales de vibración y de 100% en ambas etapas tomando las señales de presión. ----------------------------------------------------------------------------------------------------
Detección de fallas en bombas hidráulicas usando máquinas de soporte vectorial y metodos estadísticos
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Diaz Palencia, Fabian Horacio; Borras Pinilla, Carlos; Diaz Guerrero, Pedro Jose
El objetivo principal de este trabajo consiste en implementar técnicas avanzadas de detección y diagnóstico de fallas basándose en sistemas de aprendizaje, particularmente usar métodos estadísticos (análisis de componentes principales) y sistemas de aprendizaje (máquinas de soporte vectorial) para la detección y diagnóstico de fallas por perdida de eficiencia volumétrica debida a desgaste en el plato de válvulas en una bomba de pistones axiales, a través del uso de señales de vibración y presión utilizando un banco de pruebas en el cual se indujo la falla en cinco condiciones de severidad y una carga específica. El algoritmo de PCA se implementa para reducir la dimensión de los datos en el dominio del tiempo y luego de eliminar el ruido transformarlos nuevamente al espacio original lo cual permite detectar la existencia de la falla, luego algunos parámetros estadísticos son implementados para la extracción de las características del set de datos, estos se utilizaron para entrenar el algoritmo SVM multiclase uno contra el resto y usando validación cruzada se determinaron los parámetros óptimos y con los cuales se funda la arquitectura del modelo final para el entrenamiento del algoritmo SVM multiclase uno contra uno y el mejor desempeño en cuanto a precisión y tiempo de procesamiento se obtuvo con los Kernel lineal y RBF.
Modelado y simulación unidimensional transitoria del flujo bifásico en tuberías de pozos petroleros
(Universidad Industrial de Santander, 2016) Jerez Carrizales, Manuel Fernando; Jaramillo Ibarra, Julian Ernesto; Fuentes Díaz, David Alfredo
Se implementaron diferentes metodologías para simular el flujo bifásico en tuberías de pozos petroleros tanto para el régimen estacionario como para el régimen transitorio. Todos los modelos fueron desarrollados para simular tuberías verticales con secciones circulares y se permite la variación del diámetro de la tubería a lo largo de esta, los cambios temporales en los caudales de los fluidos deben ser lentos. Las propiedades de los fluidos son calculadas a partir del modelo black oil con la posibilidad de seleccionar distintas correlaciones para algunas propiedades. Primero se presenta el estado del arte enfocado pero no limitado a las predicciones del flujo bifásico en tuberías de pozos petroleros. En el estado del arte se explican las ideas básicas de los diferentes enfoques que se han adoptado para resolver este tipo de problemas. Así mismo, también se menciona algunos retos de investigación para el futuro. Posteriormente se explican los detalles de cada uno de los modelos implementados y desarrollados, estos son: modelos simplificados de Hagedorn & Brown y Mukherjee & Brill, modelo mecanicista de Ansari et al, modelo drift flux estacionario de Hasan et al, y los modelos transitorios drift flux y de dos fluidos. La metodología drift flux fue usada en un modelo transitorio con una buena estabilidad al momento de realizar los cálculos. Finalmente, se desarrollan una serie de comparaciones entre los distintos modelos y datos que permiten evaluar su desempe˜no. Las comparaciones estacionarias mostraron un mejor desempe˜no para los modelos de Hasan et al y Ansari et al. Las comparaciones del modelo drift flux transitorio fueron realizadas una vez se alcanza el estado estable.
Determinación del campo de flujo y de concentraciones de la interfase de dos fluidos incompresibles que se desplazan a través de una tubería usando el método de los volúmenes finitos
(Universidad Industrial de Santander, 2015) Florez Arias, Carlos Alberto; Fuentes Díaz, David Alfredo
La industria petroquímica moviliza fluidos mediante redes de tuberías empleando el método de transporte por lotes. Cuando no existe ninguna separación rígida entre cada dos lotes, los productos se mezclan en cierta medida mientras se desplazan, dando lugar a un volumen de mezcla o interfase contaminada. El volumen de mezcla aumenta a lo largo de la tubería como resultado de la influencia del trazado topográfico, efectos de la gravedad y las propiedades de los fluidos: viscosidad, densidad, coeficiente de difusión, etc. En esta Trabajo se muestran los resultados obtenidos en la determinación de dicha interfase para un flujo en régimen isotérmico turbulento totalmente desarrollado por medio de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD ) usando el método de volúmenes finitos (FVM) y empleando el software libre OpenFOAM®, con el cual se simula un caso. también se muestra el desarrollo de un solucionador con la adición de funcionalidad de malla Dinámica, este solucionador fue utilizado para simular este proceso de transporte y posteriormente se analizaron los resultados obtenidos. En esta investigación también fueron usados los software SALOME en la etapa de preproceso y PyFoam en las etapas de preproceso y posproceso, así como el lenguaje de programación Python™. Este proyecto empleo exclusivamente software libre en todas sus etapas de desarrollo.
A comparative study of linear techniques active vibration control h-infinity and adaptive filters on a flexible structure of one degree of freedom
(Universidad Industrial de Santander, 2015) Mariotte Parra, Efrain Guillermo; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo; Borras Pinilla, Carlos
En el presente estudio se compararon los diseños de los controladores basados en las metodologías de Control Robusto y de Control Adaptativo aplicado al Control Activo de Vibración (AVC). EL sistema AVC fue implementado en una planta de tres masas con un grado de libertad. La comparación se realizó utilizando como criterio de decisión la relación de tradeoff entre la generalización de la solución y la magnitud del rechazo de las perturbaciones contra el costo de cálculo y el esfuerzo en el control aplicado. Los Controladores Robustos H∞ y μ-sintetizado son diseñados considerando incertidumbres paramétricas. Dichos controladores se contrastaron usando ruido coloreado. Las simulaciones realizadas el ambiente de Matlab muestran mejor rendimiento al controlador robusto sintetizado usando la técnica mixed-μ. Se aplicó la metodología de Control Adaptativo para realizar Identificación del Sistema (SI) en cada camino de propagación de las perturbaciones estudiadas. La identificación del Sistema configuró filtros de Respuesta Finita al Impulso (FIR) que modelaron las respuestas dinámicas de dichos caminos. Las simulaciones fueron realizadas usando diseños de filtros en Feedforward y Feedback. Los Filtros fueron comparados empleando perturbaciones periódicas. Simulaciones en tiempo real en el ambiente de Matlab mostraron mejores resultados al filtro RLS. Los controladores resultantes de cada comparación previamente realizada se contrastaron aplicándolos a la planta con un ancho de banda más grande. Finalmente, las ventajas de emplear cada controlador son expuestas. Como resultado, Filtro Adaptativo rechaza mejor perturbaciones periódicas que el Controlador Robusto, el cual rechaza mejor las perturbaciones no-periódicas

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