Revista Politécnica

Exploración de las Características Hidroquímica del Agua Subterránea en la Zona Baja de la Cuenca Río Carrizal

Resumen: La falta del recurso hídrico en cantidad y calidad ha generado diferentes intereses en las instituciones, investigadores y científicos en estudiar los cuerpos de agua para el desarrollo humano. El objetivo de la investigación fue explorar las características hidroquímicas del agua subterránea en la cuenca baja del valle del río Carrizal mediante técnicas multivariantes y geoespaciales que permitan establecer la cantidad y calidad de este recurso en esta zona. El desarrollo del trabajo consistió en tomar muestras de agua subterránea de catorce pozos de observación, cada uno con distintos usos de suelo. Los parámetros que se evaluaron fueron: pH, conductividad eléctrica, dureza, sólidos totales disueltos, relación absorción sodio, y además de los cationes y aniones. De manera general, los parámetros hidroquímicos muestran que la variable dureza se encuentra en un nivel superior al permisible para su uso, mientras que: la conductividad, relación sodio, y el pH mostraron valores bajos sin problemas para su uso. El catión calcio (Ca2+) representa 67 % y el ion Bicarbonato 75 % siendo las concentraciones mayoritarias de cationes y aniones, respectivamente. Profundizando más el análisis se pudo evidenciar la relación existente entre la dureza y el parámetro de conductividad, sólidos totales, calcio, ion bicarbonato, cloruro y sulfato. La calidad del agua subterránea del valle se encuentra determinada por la mineralización de la roca madre, esto se traduce en la concentración alta de dureza y su correlación con el calcio y los aniones bicarbonato, cloruro y sulfato. Las técnicas multivariantes y geoespaciales empleadas en la exploración permitieron conocer comportamientos del agua subterránea en el valle del río Carrizal.

Abstract: The lack of water resources, in quantity and quality, has generated different interests in institutions, researchers and scientists to study water bodies for human development. The objective of the research was to explore the hydrochemical characteristics of groundwater in the lower basin of the Carrizal river Valley using multivariate and geospatial techniques. The development of the work consisted of taking groundwater samples from sixteen observation wells, each with different land uses. The parameters evaluated were: pH, electrical conductivity, hardness, total dissolved solids, sodium absorption ratio, and also cations and anions. In general, the hydrochemical parameters show that the hardness variable is at a higher level than that permissible for its use, while: conductivity, sodium ratio, and pH showed low values without problems for its use. The calcium cation (Ca2+) represents 67 % and the bicarbonate ion 75 %, with the majority concentrations being cations and anions, respectively. Further analysis revealed the relationship between hardness and the variables conductivity, total solids, calcium, bicarbonate ion, chloride and sulphate. The quality of the groundwater in the valley is determined by the mineralization of the bedrock, which translates into a high concentration of hardness and its correlation with calcium and the bicarbonate, chloride and sulphate anions. The multivariate and geospatial techniques used in the exploration allowed us to understand the behavior of groundwater in the Carrizal river valley.

Análisis de los Factores que Favorecen el Desarrollo de Top-Down Cracking en Pavimentos Asfálticos Mediante Modelos de Elementos Finitos

Resumen: Estudios han reportado la aparición prematura de grietas en la superficie del pavimento en sentido descendente. Los métodos de diseño de pavimentos consideran el ahuellamiento y el agrietamiento ascendente de la capa asfáltica y no se considera el agrietamiento descendente. La solución conceptual es el aumento de espesor de la capa asfáltica, pero esto no afecta significativamente las tensiones de corte y tracción generadas en la superficie. El objetivo de este trabajo es analizar los factores que favorecen el desarrollo de Top-Down Cracking (TDC) en pavimentos asfálticos mediante modelos de elementos finitos. Se han modelado vías locales chilenas en el software ANSYS y se ha considerado la variación de factores como el módulo de elasticidad de la capa asfáltica, la presión de inflado de los neumáticos y el espesor de la capa de rodado. Se han estudiado las tensiones y deformaciones producidas en la capa asfáltica y se han relacionado con cada una de las variables. Los resultados muestran un bajo impacto del aumento de espesor de la capa asfáltica en la reducción de las tensiones máximas de tracción y corte que producen el agrietamiento TDC. Lo anterior, se repite para valores mayores del módulo de elasticidad, lo que acelera la formación de TDC. Así también, para las distintas presiones de inflado, se observa que en capas de mayor espesor los valores de las tensiones tienden a ser más cercanos entre sí y la presión de inflado deja de tener mayor incidencia en los resultados.

Abstract: Studies have reported the premature appearance of cracks on the pavement surface in the downward direction. Pavement design methods consider rutting and bottom-up cracking of the asphalt layer and Top-Down Cracking is not considered. The conceptual solution is to increase the thickness of the asphalt layer, but this does not significantly affect the shear and tensile stresses generated on the surface. The aim of this work is to analyze the factors that favor the development of Top-Down Cracking (TDC) in asphalt pavements using finite element models. Local Chilean roads have been modeled in the ANSYS software and the variation of factors such as the elastic modulus of the asphalt layer, tire inflation pressure and the thickness of the road layer have been considered. The stresses and deformations produced in the asphalt layer have been studied and have been related to each of the variables. The results show a low impact of increasing the thickness of the asphalt layer on the reduction of the maximum tensile and shear stresses that produce TDC. The above is repeated for higher values of the elastic modulus, which accelerates the formation of TDC. Likewise, for the different inflation pressures, it is observed that in thicker layers, the stress values tend to be closer to each other and the inflation pressure no longer has a greater impact on the results.

Optimización Acelerada del Flujo de Potencia Mediante Técnicas de Aproximación Lineal

Resumen: La resolución de problemas de flujo de potencia óptimo (OPF) se hace cada vez más compleja a medida que aumenta el tamaño del sistema eléctrico. Para hacer frente a esta situación, se emplean diversas técnicas para acelerar el proceso de solución. Un método comúnmente utilizado es la aproximación DC, que simplifica el problema, pero conlleva una cierta pérdida de información. Este trabajo explora la implementación de un algoritmo diseñado para optimizar los cálculos OPF mediante el uso de Aproximaciones Lineales Sucesivas (LSA), basado en el Modelo de Inyección en Bus (BIM) para el análisis del flujo de potencia. Este enfoque comienza con un modelo de relajación convexo, que luego se transforma en una serie de LSA, lo que permite un cálculo más rápido al tiempo que produce soluciones aceptables. Durante la ejecución del algoritmo, se seleccionan datos esenciales del sistema eléctrico estudiado, se evalúan y se comparan con los resultados obtenidos al aplicar el OPF clásico. Las soluciones producidas por el enfoque LSA satisfacen las restricciones operativas del sistema a la vez que reducen significativamente el tiempo de cálculo. Se puede concluir que, a medida que aumenta el número de buses, también crece la cantidad de variables y el tiempo de resolución. En este sentido, la aplicación del método LSA permite reducir los tiempos en más de un 10.00 %, manteniendo un error en el cálculo de la potencia por debajo del 7,00 %.

Abstract: Solving Optimal Power Flow (OPF) problems, becomes increasingly complex as the size of the electrical system grows. To address this, various techniques are employed to accelerate the solution process. One commonly used method is DC approximation, which simplifies the problem but leads to a certain loss of information. This paper explores the implementation of an algorithm designed to optimize OPF calculations using Successive Linear Approximations (LSA), based on the Bus Injection Model (BIM) for power flow analysis. This approach starts with a convex relaxation model, which is then transformed into a series of LSA, enabling faster computation while yielding acceptable solutions. During the execution of the algorithm, essential data from the studied electrical system are selected, evaluated, and compared with the results obtained from applying the classic OPF. The solutions produced by the LSA approach meet the operational constraints of the system while significantly reducing computation time. It can be concluded that as the number of buses increases, the number of variables and resolution time also increase. In this regard, applying the LSA method allows for a reduction in resolution time by more than 10.00 %, while maintaining a power calculation error below 7.00 %.

Generalizaciones de la Ecuación de Laplace desde el Análisis de Clifford

Resumen: El Análisis de Clifford brinda la posibilidad de reescribir muchas de las ecuaciones de la Física Matemática para obtener valiosas interpretaciones acerca de sus soluciones. La ausencia de la conmutatividad y el uso de bases or- tonormales arbitrarias en álgebras de Clifford hacen posible el surgimiento de dos nuevas ecuaciones diferenciales que generalizan a la clásica ecuación de Laplace. Las funciones (ϕ, ψ )-armónicas y (ϕ, ψ )-inframonogénicas se definen como las soluciones a estas ecuaciones más generales. En este trabajo, se estudiarán estas clases funcionales y se mostrará que no comparten algunas de las buenas propiedades de las armónicas. Además, por medio de transformadas de Teo- dorescu se resolverán problemas de frontera del tipo Riemann-Hilbert en dominios con frontera fractal y sobre clases de Lipschitz de orden superior. Como conclusión, se determina que la consideración de conjuntos estructurales brinda la posibilidad de agrupar y tratar de forma eficiente a estos sistemas elípticos junto con sus problemas asociados.

Abstract: Clifford analysis gives the possibility of rewriting many of the equations of mathematical physics to obtain valuable interpretations of their solutions. The absence of commutativity and the use of arbitrary orthonormal bases in the so-called Clifford algebras lead to new differential equations that generalize the classical Laplace equation. The (ϕ, ψ )-harmonic and (ϕ, ψ )-inframonogenic functions are defined as the solutions to these general equations. This research will study these functional classes and show that they do not share some of the good properties of the harmonicones. In addition, by means of Teodorescu transforms, Riemann-Hilbert type boundary value problems in domains with fractal boundary and on higher order Lipschitz classes are solved. It is concluded that the consideration of structural sets offers the possibility of efficiently grouping and treating these elliptic systems together with their associated problems.

Agresividad Climática y Concentración de Precipitaciones en una Cuenca Amazónica Peruana: Intercuenca Alto Huallaga

Resumen: Las precipitaciones en la Amazonía central peruana se caracterizan por ser estacionales y con fuertes intensidades durante los primeros meses del año, conllevando a que se produzcan inundaciones y el posterior colapso de la infraestructura local de las provincias de las Regiones San Martín, Huánuco, Pasco y La Libertad de Perú, que se encuentran dentro de la delimitación de la Intercuenca Alto Huallaga. Por lo expuesto, la presente investigación tuvo por objetivo evaluar la agresividad climática y concentración de precipitaciones en la Cuenca Amazónica, aplicando para tal fin tres índices de agresividad y un índice de concentración de precipitaciones (ICP), los cuales se estiman a partir del registro de lluvias de las estaciones climáticas de la zona de estudio. Los resultados muestran una alta correlación entre la precipitación media y altitud (R2 = 0.72) y respecto a la agresividad, el índice de Fournier-Maule modificado (IFMM) fue el de mejor correspondencia con respecto a la altitud (R2 = 0.72) y precipitación media (R2 = 0.98), sin embargo, el ICP muestra correlaciones moderadas con la altitud (R2 = 0.21) y la precipitación media (R2 = 0.16). Así mismo, se estimaron los valores extremos de los diferentes índices para diferentes períodos de retorno y se desarrolló un modelo de regresión lineal múltiple que relaciona la agresividad climática y el ICP para estimar la precipitación media (R2 = 0.99). Finalmente, se concluye que la Intercuenca Alto Huallaga presenta una agresividad climática muy baja y la concentración de lluvias es moderadamente estacional.

Abstract: Precipitation in the central Peruvian Amazon is characterized by being seasonal and with strong intensities during the first months of the year, leading to flooding and the subsequent collapse of the local infrastructure in provinces of San Martin, Huanuco, Pasco and La Libertad Regions of Peru, which are located within the delimitation of the Alto Huallaga Interbasin. Therefore, the objective of this research was to evaluate the climatic aggressiveness and concentration precipitation in the Amazon basin, applying three indices of aggressiveness and a precipitation concentration index (ICP), estimated from the precipitation record of the climatic stations in the study area. The results show a very high correlation between mean precipitation and altitude (R2 = 0.72) and with respect to the aggressiveness, the modified Fournier-Maule index (IFMM) was the one with the best correspondence with respect to altitude (R2 = 0.72) and mean precipitation (R2 = 0.98), however, the ICP shows moderate correlations with altitude (R2 = 0.21) and mean precipitation (R2 = 0.16). Likewise, the extreme values of the different indices were estimated for different return periods and a multiple linear regression model was developed to relate climatic aggressiveness and the ICP to estimate the mean precipitation (R2 = 0.99). Finally, it is concluded that, the Alto Huallaga Interbasin presents a very low climatic aggressiveness and the concentration of rain is moderately seasonal.

Optimización del Flujo de Potencia en Redes Eléctricas mediante Gekko

Resumen: La optimización del flujo de potencia en la red eléctrica es fundamental para mejorar la estabilidad y el desempeño de los sistemas de energía. El principal desafío reside en encontrar una distribución óptima de la generación de potencia que cumpla con las restricciones impuestas por la red, tales como los límites de voltaje y las condiciones de estabilidad del sistema eléctrico. El objetivo de esta investigación fue evaluar el desempeño de Gekko en la optimización del flujo de potencia en redes eléctricas. Para ello, se realizó una comparación con SciPy, un marco de referencia ampliamente utilizado en optimización numérica, con el fin de evaluar su eficiencia relativa en problemas con restricciones complejas. La comparación se basa en métricas como precisión de la solución, velocidad de convergencia y número de evaluaciones de la función objetivo. Los resultados mostraron que ambos métodos lograron el mismo valor objetivo: SciPy (19,7) y Gekko (19,7). Sin embargo, SciPy fue ligeramente más rápido (0,01496 segundos frente a 0,0191 segundos), pero requirió 60 evaluaciones de la función objetivo. En contraste, Gekko demostró mayor eficiencia computacional, reduciendo la cantidad de evaluaciones necesarias para la convergencia. Aunque SciPy es más eficiente en problemas pequeños con restricciones explícitas, Gekko ofrece mayor flexibilidad en problemas con restricciones más complejas, lo que lo hace más adecuado para sistemas eléctricos de mayor envergadura.

Abstract: Power flow optimization in the electrical grid is critical to improve the stability and performance of power systems. The main challenge lies in finding an optimal distribution of power generation that meets the constraints imposed by the grid, such as voltage limits and power system stability conditions. The objective of this research was to evaluate the performance of Gekko in power flow optimization in electrical grids. To do so, a comparison was made with SciPy, a widely used benchmark framework in numerical optimization in order to assess their relative efficiency in problems with complex constraints. The comparison is based on metrics such as solution accuracy, convergence speed, and number of objective function evaluations. The results showed that both methods achieved the same objective value: SciPy (19.7) and Gekko (19.7). However, SciPy was slightly faster (0.01496 seconds vs. 0.0191 seconds), but required 60 objective function evaluations. In contrast, Gekko demonstrated greater computational efficiency, reducing the number of evaluations required for convergence. While SciPy is more efficient on small problems with explicit constraints, Gekko offers greater flexibility on problems with more complex constraints, making it more suitable for larger power systems.

Influencia del Amortiguamiento en la Respuesta Dinámica del Modelo Computacional de una Torre Autosoportada

Resumen: Las torres de celosía son estructuras vulnerables ante la acción del viento por lo que han sido objeto de diversos estudios en las últimas décadas. Para el análisis del comportamiento de las torres se utilizan los modelos computacionales los cuales pueden ser calibrados a partir de las características dinámicas obtenidas de ensayos a escala real. Los parámetros que permiten caracterizar la respuesta dinámica de una estructura son la frecuencia natural, las formas modales y la razón de amortiguamiento, esta última es la característica de mayor incertidumbre en su estimación. El objetivo de este trabajo es evaluar la influencia del amortiguamiento en la respuesta dinámica de un modelo computacional de torre autosoportada. Los valores de amortiguamiento se obtuvieron mediante la técnica del análisis modal operacional y se compararon con los valores de amortiguamientos sugeridos en los códigos internacionales. Los resultados muestran que no existe diferencia en los valores máximos de solicitaciones en término de aceleraciones, desplazamientos y fuerza axial cuando se usa el Método Dinámico en el dominio del tiempo.

Abstract: Lattice towers are structures vulnerable to wind action, which has made them the subject of various studies in recent decades. Computational models are used to analyze the behavior of these towers, and these models can be calibrated based on the dynamic characteristics obtained from real-scale tests. The parameters that allow characterizing the dynamic response of a structure are the natural frequency, mode shapes, and damping ratio; the latter being the characteristic with the greatest uncertainty in its estimation. The objective of this paper is to evaluate the influence of damping on the dynamic response of a computational model of a self-supporting tower. The damping values were obtained using the operational modal analysis technique and compared with the damping values suggested in international codes. The results show that there is no difference in the maximum values of stresses in terms of accelerations, displacements, and axial force when using the Dynamic Method in the time domain.

Eficacia de un Bioadsorbente Modificado a Base de Tallo de Rosa para la Eliminación de Cr (III) de Aguas Residuales de Curtiembres

Resumen: Se investigó la eliminación de Cr (III) de efluentes de curtidurías utilizando residuos de tallo de rosa como bioadsorbente (BA). En primer lugar, se realizaron experimentos de sorción con BA virgen para verificar su eficacia. Debido a la baja capacidad de retención del BA, se le modificó químicamente con H2SO4, NaOH y Na3C6H5O7, por separado. El BA fue caracterizado mediante espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), y a continuación, fue utilizado en los estudios de sorción. En segundo lugar, se investigaron los efectos del pH (2 - 6), la dosis de adsorbente (33 - 300 g/L) y el tiempo de contacto (1 - 30 h) mediante experimentos por lotes. Para estudiar las variables indicadas, se utilizaron soluciones sintéticas (250 ppm) preparadas con Cr(OH)SO4. Posteriormente, se utilizó un efluente de curtiduría para aplicar las condiciones ideales seleccionadas para las soluciones sintéticas. Se empleó un espectrofotómetro de absorción atómica para determinar las concentraciones de Cr(III). Los resultados mostraron que la eficacia aumentaba con el incremento de la dosis de BA (200 g/L), el tiempo de contacto (20 h) y el pH 6. La eficacia del BA en la remoción del Cr(III) en el efluente real (57 %) fue inferior a la de las muestras sintéticas (72 %). El modelo cinético de pseudo-segundo orden y el equilibrio representado por la isoterma de Sips, con un rendimiento de 5,1 mg Cr/g BA, son los que mejor se ajustan a los datos experimentales.

Abstract: The removal of Cr (III) from tannery effluents using rose stem waste as a bioadsorbent (BA) was investigated. First, sorption experiments were performed using virgin BA to verify its efficiency. Due to the BA’s low retention capacity, it was chemically modified separately with H2SO4, NaOH, and Na3C6H5O7. The BA was characterized by means of a Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometer, and subsequently, employed in sorption studies. Second, the effects of pH (2 - 6), adsorbent dose (33 - 300 g/L) and contact time (1 - 30 h) were examined through batch experiments. Synthetic solutions (250 ppm) prepared with Cr(OH)SO4 were used to study these variables. Then, an actual tannery effluent was used to verify the ideal conditions selected for the synthetic solutions. An atomic absorption spectrophotometer was also utilized to determine the Cr (III) concentration. The results showed that the efficiency raised with increasing BA dose (200 g/L), contact time (20 h), and pH 6. The BA efficiency on Cr (III) removal of the tannery effluent (57 %) was lower than that of the synthetic samples (72 %). The pseudo-second-order kinetic model and equilibrium represented by the Sips isotherm, with a power of 5.1 mg Cr/g BA, best fit the experimental data.

Integration of Finite Element Analysis Results into Multi-domain Modeling for Food Production Plant Simulation

Resumen: En los últimos años, el uso de simulaciones en procesos industriales e investigación ha crecido significativamente gracias a los avances en tecnología computacional. Técnicas como la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), los Métodos de Elementos Finitos (FEM) se aplican ampliamente en diversos campos. En la industria alimentaria, los códigos de simulación multidominio han optimizado los tiempos de cocción y enfriamiento en equipos como hornos y marmitas. Sin embargo, las simulaciones detalladas, especialmente en transferencia de calor, requieren importantes recursos computacionales que a menudo superan las capacidades de estos enfoques. Este trabajo simula un horno y una marmita empleados en la producción de jamón, modelando el proceso de cocción en COMSOL Multiphysics para determinar tiempos y temperaturas óptimas. Los datos se exportan a Wolfram SystemModeler para controlar con precisión los ciclos de calentamiento, mostrando una alta concordancia entre ambas plataformas. Los resultados muestran una alta correlación entre las simulaciones de COMSOL y Wolfram, con un error del 5 % en el tiempo de cocción de la marmita y una desviación del 15 % en la generación de vapor. De manera similar, el horno presenta un error del 5 % entre los valores de cocción simulados y experimentales. La integración de simulaciones basadas en FEM con modelado multidominio, mejora la precisión en la predicción de tiempos de calentamiento, contribuyendo a la optimización de los procesos de producción de alimentos.

Abstract: In recent years, the use of simulation in industrial processes and research has grown significantly, largely due to computational technology advancements. Techniques like Computational Fluid Dynamics (CFD), Finite Element Methods (FEM), simulations are widely used across various fields. In the food industry, multidomain simulation codes have optimized cooking and cooling times in critical equipment such as ovens and kettles. However, highly detailed simulations, especially for heat transfer in cooking processes, require substantial computational resources, often surpassing the capabilities of multidomain approaches. This work focuses on simulating an oven and kettle used in ham production. The cooking process is modeled using COMSOL Multiphysics to determine optimal cooking times and temperatures. The resulting temperature and time data are exported to Wolfram SystemModeler to control steam of the on/off cycles of the heaters precisely. Results show a strong correlation between COMSOL and Wolfram simulations, with a 5 % error in cooking time for the kettle and a 15 % deviation in steam generation. Similarly, the oven presents a 5 % error between simulated and experimental cooking values. The integration of FEM-based simulations with multidomain modeling enhances the accuracy of heating time predictions, contributing to the optimization of food production processes.

Acercamiento a las Condiciones Óptimas de Operación en la Síntesis del Cloruro de Alilo

Resumen: El cloruro de alilo es un producto químico usado como intermediario en la obtención de gran cantidad de valiosos derivados. Se sintetiza fundamentalmente por cloración directa del propileno, pero aún existe gran diversidad de criterios en cuanto a las condiciones más adecuadas de operación del reactor de síntesis. El objetivo de este trabajo es realizar un análisis conceptual que permita un mejor acercamiento a las condiciones óptimas de operación. Primeramente, se realizaron valoraciones cualitativas y cuantitativas que permitieron evaluar el efecto que tiene un grupo de variables seleccionadas como variables de diseño sobre la factibilidad del proceso. Las variables respuestas que se consideraron en la comparación fueron el volumen del reactor, la productividad volumétrica y los rendimientos fraccionales instantáneo y global. Mediante técnicas de modelación matemática, se realizó una comparación entre los modos de operación isotérmico y adiabático para un reactor de flujo en pistón. Con este trabajo, se demostró la mayor factibilidad técnica del empleo del reactor isotérmico. En este modo de operación, se logra mayor productividad volumétrica, con menor volumen del reactor y mayores rendimientos. También se comprobó que para una misma relación molar de alimentación propileno:cloro en la operación isotérmica se logra mayor selectividad.

Abstract: Allyl chloride is a chemical product used as an intermediate in the production of a large number of valuable derivatives. It is synthesized mainly by direct chlorination of propylene, but there is still a great diversity of criteria about the most suitable operating conditions of the synthesis reactor. The objective of this work is to conduct a conceptual analysis that allows a better approach to the optimal operating conditions. First, qualitative and quantitative evaluations were carried out to assess the effect of a group of variables selected as design variables on the feasibility of the process. The response variables considered in the comparison were reactor volume, volumetric productivity and instantaneous and global fractional yields. Mathematical modeling techniques were used to compare the isothermal and adiabatic modes of operation for a plug flow reactor. This work demonstrated the greater technical feasibility of using the isothermal reactor. In this mode of operation, higher volumetric productivity is achieved with lower reactor volume and higher yields. It was also proved that for the same propylene: chlorine feed molar ratio, greater selectivity is achieved with the isothermal operation.