Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Letter to the Editor

Implication of the inferior vena cava in the generation of reentry in the pectinate muscles

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia and its prevalence increases with age. The most dangerous and complex arrhythmias are the result of a phenomenon known as reentry. In experimental studies, the vena cava has been associated with ectopic activity that promotes the generation of reentries. The changes caused by electrical remodeling in an atrial myocyte action potential model (AP), coupled with an anatomically realistic three-dimensional model of human atria with orientation fibers were incorporated in this work. When applying an ectopic focus to the nearby ostium of the inferior vena cava, a relationship between this activity and the generation of reentries in the pectinate muscles is found. A functional reentry repeated in time is favored by the pectinate muscles anatomy, the anisotropic properties and the non-uniform distribution in the three-dimensional tissue. The existence of a preferential conduction pathway facilitates the initiation of reentries affecting the conduction scheme. Therefore, the capacity of induction and development of arrhythmias are found.

La fibrilación auricular (FA) es la más común de la arritmia cardiaca y su prevalencia aumenta con la edad. Las arritmias cardiacas más peligrosas y complejas son el resultado del fenómeno conocido como reentrada. Se ha planteado que los músculos pectíneos proveen un sustrato para la actividad reentrante durante la FA. En estudios experimentales la vena cava ha sido asociada con actividad ectópica que promueve la generación de reentradas. En este trabajo se incorporaron los cambios generados por el remodelado eléctrico a un modelo de potencial de acción (PA) de miocito auricular, acoplado con un modelo tridimensional anatómicamente realista de aurícula humana con direccionamiento de fibras. Al aplicar un foco ectópico en la cercanía del ostium de la vena cava inferior se encuentra una relación entre esta actividad y la generación de reentradas en los músculos pectíneos. Una reentrada funcional que se repite en el tiempo es favorecida por la anatomía de los músculos pectíneos, las propiedades anisotrópicas y la distribución no uniforme en el tejido tridimensional. Se encontró la existencia de un camino de conducción preferencial que facilita la iniciación de reentradas afectando el esquema de conducción y la capacidad de inducción y desarrollo de arritmias.

Chitosan/hydroxyapatite scaffolds for tissue engineering manufacturing method effect comparison

The regeneration of bone is one of the main challenges of modern medicine because many diseases, including trauma and tumor, can cause bone defects. Tissue engineering (TE) is a promising approach to cure these bone diseases because it allows the reconstruction of tissue by colonization and proliferation of healthy cells in an artificial extracellular matrix (scaffolds). The aim of this project was to prepare chitosan/hydroxyapatite CH/HA scaffolds, using various ratios and two different methods: powder hydroxyapatite (commercial) and in situ hydroxyapatite, and then compare their properties. The morphology, chemical composition and mechanical properties were evaluated by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, and compression tests. The scaffolds obtained showed an interconnected porous structure. The scaffolds with chitosan and hydroxyapatite manufacturing by in situ protocol, have better applications in tissue engineering, because they have a better morphology and allow the cell growth. These scaffolds are suitable for tissue engineering.

La regeneración del hueso es uno de los principales retos de la medicina moderna debido a que muchas enfermedades, incluyendo los traumas y los tumores, pueden causar defectos óseos. La ingeniería de tejidos (IT) es un área de investigación muy prometedora para curar estas enfermedades de los huesos, ya que permite la reconstrucción de los tejidos basados en la colonización y proliferación de las células sanas, provenientes del mismo paciente, en una matriz extracelular artificial denominada plataformas o andamios. El objetivo de este proyecto fue fabricar plataformas de quitosano/hidroxiapatita CH/HA, utilizando diversas relaciones y dos métodos diferentes para la obtención de la hidroxiapatita, en polvo (comercial) e in situ, para luego comparar sus propiedades. La morfología, la composición química y las propiedades mecánicas se evaluaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), espectroscopia Raman y ensayos de compresión. Los andamios obtenidos presentaron una estructura porosa interconectada. Las plataformas con mejores propiedades para ingeniería de tejidos fueron las fabricadas con quitosano e hidroxiapatita in situ, debido a que su morfología era más óptima para permitir el crecimiento celular. Estos andamios cumplen los requisitos de la ingeniería de tejidos.

Effect of the functionalization of silica nanoparticles as a reinforcing agent on dental composite materials

The present study evaluated the effect of silica nanoparticle aggregation state on the reflectance and crystallinity of dental composite materials. Two types of silica nanoparticles (ca. 10 nm): Aerosil 200® non-funcionalized and Aerosil DT4® funcionalized with 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane. Nanoparticles were dispersed in a monomer mix composed by Urethane Dimethacrylate (UDMA) and Ethylene glycol Dimethacrylate (EGDMA) in a 80:20 mass ratio. The particle size of silica and their aggregation state were determined using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), showing that the Aerosil DT4® has dense aggregates with sizes higher than 1 µm; on the other hand the Aerosil 200® showed a particle gel-like structure. The functionalization degree of the Aerosil DT4® was determined by thermogravimetric analysis (TGA), obtaining a value of 7.57% w/w. The composite materials were evaluated by Differencial Scanning Calorimerty (DSC) to determine their crystallinity. The composite material reinforced by Aerosil DT4® showed lower cristallinity than the system with Aerosil 200® due to higher interaction of the polymeric matrix with the funcionalized surface of the Aerosil DT4®. The effect of the aggregation state of silica nanoparticles on the optical properties of the composite material was determined by reflectance analysis. The Aerosil 200® sample showed a lower degree of nanoparticle aggregation and higher reflectance than the system with Aerosil DT4®. The functionalization of the Aerosil DT4® induced nanoparticle aggregation diminishing the optical properties of the composite material.

El presente estudio evaluó el efecto del estado de agregación de nanopartículas de sílica en la reflectancia y cristalinidad de materiales compuestos de uso dental. Se emplearon dos tipos de sílica nanométrica (ca. 10 nm): Aerosil 200® no funcionalizado y Aerosil DT4® funcionalizado con 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano. Las nanopartículas de sílica fueron dispersas en una mezcla de monómeros de Uretano Dimetilacrilato (UDMA) y Etilenglicol Dimetacrilato (EGDMA) en una relación 80:20 en masa. El tamaño de partícula de la silica y su estado de agregación fue determinado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), mostrando que el Aerosil DT4® presentó agregados densos de tamaño superior a 1 µm; en tanto el Aerosil 200® presentó una estructura agregada tipo gel de partículas. El grado de funcionalización del Aerosil DT4® fue determinado mediante análisis termogravimétrico (TGA), obteniendo un valor de 7.57% w/w. Los materiales compuestos fueron evaluados mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) para determinar su cristalidad. El material compuesto reforzado con Aerosil DT4® presentó una menor cristalinidad que el sistema con Aerosil 200®, debido a la mayor interacción de la matriz polimérica con la superficie funcionalizada del Aerosil DT4®. El efecto de la agregación de las nanopartículas de silica en las propiedades ópticas del material compuesto fue determinado mediante análisis de reflectancia. La muestra de Aerosil 200® presentó un menor estado de agregación de las nanopartículas y mayor reflectancia que el sistema con Aerosil DT4®. La funcionalización de la superficie del Aerosil DT4® propició la aglomeración de las nanopartículas deteriorando las propiedades ópticas del material compuesto.

Análisis no lineal de la señal de electroencefalograma en profundidad anestésica

Digital signal processing of the electroencephalogram (EEG) became important in monitoring depth of anesthesia (DoA) being used to provide a better anesthetic technique. The objective of this work was to conduct a review about nonlinear mathematical methods applied recently to the analyses of nonlinear non-stationary EEG signal. A review was conducted showing time- and frequency-domain nonlinear mathematical methods recently applied to EEG analysis: Approximate Entropy, Sample Entropy, Spectral Entropy, Permutation Entropy, Wavelet Transform, Wavelet Entropy, Bispectrum, Bicoherence and Hilbert Huang Transform. Some algorithms were implemented and tested in one EEG signal record from a patient at The Sabana University Clinic. Recently published results from different methods are discussed. Nonlinear techniques such as entropy analysis in time domain and combination with wavelet transform, and Hilbert Huang transform in frequency domain have shown promising results in classifications of depth of anesthesia stages.

El procesamiento digital de la señal de electroencefalograma (EEG) ha tomado importancia en el monitoreo de profundidad anestésica, contribuyendo a una mejor técnica anestésica. El objetivo es realizar una revisión de métodos matemáticos no lineales aplicados recientemente al análisis de EEG la cual presenta características no lineales y no estacionarias. Una revisión fue desarrollada abarcando métodos matemáticos no lineales en el dominio del tiempo y frecuencia, los cuales han sido aplicados recientemente al análisis de EEG: Entropía Aproximada, Entropía Muestral, Entropía Espectral, Entropía Permutada, Transformada Wavelet, Entropía Wavelet, Bispectro, Bicoherencia y Transformada Hilbert Huang. Los algoritmos implementados fueron probados en un registro EEG de un paciente en la Clínica Universidad de La Sabana. Resultados publicados en la literatura a fin del tema son discutidos. Técnicas no lineales como el análisis de entropía, y la combinación con transformadas Wavelet y Hilbert Huang en el dominio de la frecuencia han presentado resultados prometedores en clasificación de estados de profundidad anestésica.

Parameter estimation method for induction machines using instantaneous voltage and current measurements

This paper proposes an off-line method to determine the electrical parameters of an induction machine based on two instantaneous indicators (impedance and power). The method uses the induction machine start-up voltage and current measurements. Also, the proposed method employs a space vector dynamic model of the induction machine referred to the fixed stator reference frame. This model allows the representation of the instantaneous indicators in terms of the machine electrical parameters. An error function is defined using the indicators obtained from the measurements, versus the corresponding derived from the dynamic model of the machine. The estimated parameters are obtained by minimizing this error function by means of a constrained nonlinear optimization algorithm. The effectiveness of the proposed method was experimentally validated. The results from the model using the estimated parameters fit the experimental data sets with average error below 5%.

En este trabajo se propone un método fuera de línea para determinar los parámetros eléctricos de una máquina de inducción basados en dos indicadores instantáneos (impedancia y potencia). El método utiliza las medidas de tensión y corriente durante el arranque de una máquina de inducción. El método propuesto emplea un modelo vectorial dinámico referido al sistema de coordenadas del estator. Este modelo permite la representación de los indicadores instantáneos en términos de los parámetros eléctricos de la máquina. Se construye una función de costo utilizando los indicadores obtenidos a partir de las medidas de tensión y corriente, versus los correspondientes indicadores calculados a partir del modelo dinámico. Los parámetros estimados se obtienen mediante la minimización de la función de costo, utilizando un algoritmo de optimización no lineal con restricciones. La eficacia del método propuesto fue validada experimentalmente.

Maximum power point tracking in PV systems based on adaptive control and sliding mode control

Photovoltaic (PV) systems are commonly controlled using PI or PID structures, which cannot ensure global stability and a constant settling time. Therefore, the optimization algorithms, e.g. Perturb and Observe (P&O), are designed using the highest settling time in the operating range, which produces a slow tracking of the maximum power point (MPP) for the largest part of the operation range, introducing dynamic power losses to the system. This paper proposes to combine an adaptive controller and a sliding mode current controller (SMCC) to guarantee global stability and a constant settling time for any operation condition, which enable to increase the generated power in comparison with PI and PID controllers. The SMCC enables to mitigate the system perturbations and guarantee global stability, while the adaptive controller defines the reference of the SMCC to ensure a constant settling time. The design of the new control structure is supported by mathematical analyses and simulations made in Matlab®, where the robustness of the system is validated.

Los sistemas fotovoltaicos (PV) son comúnmente controlados utilizando estructuras PI o PID, las cuales no pueden asegurar estabilidad global y un tiempo de establecimiento constante. Por esto, los algoritmos de optimización, e.g. Perturbar y Observar (P&O), son diseñados utilizando el tiempo de establecimiento más alto en el rango de operación, lo cual produce una búsqueda lenta del punto de máxima potencia (MPP) para gran parte del rango de operación, introduciendo pérdidas dinámicas de potencia al sistema. Este artículo propone combinar un controlador adaptativo y un controlador de corriente por modos deslizantes (SMCC) para garantizar estabilidad global y un tiempo de establecimiento constante para cualquier condición de operación, lo que permite incrementar la potencia generada en comparación con controladores PI y PID. El SMCC permite mitigar las perturbaciones del sistema y garantizar estabilidad global, mientras que el controlador adaptativo define la referencia del SMCC para asegurar un tiempo de estabilización constante. El diseño de la nueva estructura de control se soporta con análisis matemáticos y simulaciones realizadas en Matlab® para validar la robustez del sistema.

Performance of a Genetic Algorithm applied to robust design in multiobjective systems under different levels of fractioning

This paper studies the performance of a Genetic Algorithm (GA) to find solutions to problems of robust design in multiobjective systems with many control and noise factors, representing the output vector in a single aggregation function. The results show that the GA is able to find solutions that achieve a good adjustment of the responses to their corresponding target values and with low variability, even with highly fractional experimental designs, which provide a limited number of data points to be fed to the GA. This conclusion is important for the practical application of the GA to robust design studies. Generally, such studies are carried out using scarce resources and dealing with other limitations, which force the engineer to use few experimental treatments and gather a limited amount of data. Thus, knowing that the GA performs well under such situation expands its applicability.

Este trabajo estudia el rendimiento de un Algoritmo Genético (AG) para encontrar soluciones a problemas de diseño robusto en sistemas multiobjetivo, con muchos factores de control y ruido, representando el vector de salida en una sola función de agregación. Los resultados muestran que el AG es capaz de encontrar soluciones que entregan un buen ajuste de la media de las respuestas a sus respectivos valores objetivo y con baja variabilidad, incluso con diseños experimentales altamente fraccionados, los cuales proveen de un número limitado de datos que se ingresan al AG. Esta conclusión es importante para la aplicación práctica del AG a estudios de diseño robusto. Generalmente, dichos estudios son llevados a cabo usando recursos escasos y lidiando con otras limitaciones, lo que obliga al ingeniero a usar pocos tratamientos y recoger una cantidad limitada de datos. Por eso, saber que el AG se comporta bien bajo esas situaciones, expande su aplicabilidad.

Reconfiguration of photovoltaic arrays based on genetic algorithm

This paper describes a Genetic Algorithm (GA) implementation devoted to the calculation of reconfiguration patterns for Photovoltaic Arrays (PVs). The proposed solution is compared with the classical Brute Force (BF) approach, which use is very restrictive due to its long processing times. The GA tuning up process is described, and several cases of study, including partial shading profiles for the PV array, are presented. Results show a very superior performance of the GA, when compared to the BF approach. Improvements in output power, as a result of the calculated reconfiguration, are also shown.

Este artículo describe una implementación de un algoritmo genético orientada al cálculo de patrones de reconfiguración de arreglos fotovoltaicos. La solución propuesta se compara con el enfoque clásico de fuerza bruta, el cual es muy restrictivo debido a sus tiempos de procesamiento excesivamente largos. Se describe el proceso de puesta punto del algoritmo y se presentan varios casos de estudio, incluyendo perfiles de sombreado parcial para el arreglo fotovoltaico. Los resultados muestran un desempeño muy superior del algoritmo genético en contraste con el enfoque de fuerza bruta. También se presentan las mejoras obtenidas en la potencia de salida como resultado del patrón de reconfiguración calculado.

Graphene samples preparation and some possible uses in developing optical communication devices

Graphene is a two-dimensional material which has been attracting the attention of worldwide scientific community, motivated by their optical and electronic properties. There are different methods for obtaining graphene, however the micromechanical exfoliation process is the simplest and it allows samples with high quality to be obtained. In this paper, the preparation process of graphene flakes by exfoliation method and their characterization by Raman spectroscopy are shown. Moreover, some possible uses of graphene flakes applied to develop optical communication high speed devices are described.

El grafeno es un material bidimensional que ha atraído la atención de toda la comunidad científica alrededor del mundo; este interés es motivado por sus propiedades ópticas y electrónicas. Existen diferentes métodos para obtener grafeno, sin embargo el proceso más simple para su obtención es exfoliación micro mecánica, este proceso permite muestras con alta calidad. En este artículo, se muestra el proceso de preparación de muestras de grafeno por exfoliación micro mecánica y se usa la espectroscopia Raman para su caracterización. También se describen algunos posibles usos del grafeno en el desarrollo de dispositivos de comunicaciones ópticas de alta velocidad.

Physical and mechanical characterization of concrete exposed to elevated temperatures by using ultrasonic pulse velocity

Experimental investigations were carried out for assessing the influence of thermal loadings on the physical and mechanical properties of plain concrete after fire exposure. Cylindrical specimens were subjected to thermal loading at different temperatures inside a muffle furnace; while cubic specimens were exposed to direct flame following the ISO 834 standard curve. For both specimens' geometries the thermal loading was applied until it reached the selected temperature which was held for an hour. The specimens were tested for weight loss, optical microscopy, ultrasonic pulse velocity, residual compressive strength, X-ray diffraction and porosity. It has been observed that with the increase in the thermal loading, the physical and mechanical properties experienced significant detriment. The results suggested that the ultrasonic pulse velocity method is appropriate as an indicator of concrete compressive strength and microstructural properties after fire exposure.

En el presente trabajo se reportan los resultados de experimentos llevados a cabo bajo cargas de fuego para evaluar las propiedades físicas y mecánicas en concreto sin reforzar. Especímenes cilíndricos fueron expuestos a diferentes temperaturas dentro de una mufla; mientras que especímenes cúbicos fueron expuestos a llama directa usando la curva estándar ISO 834. Las cargas térmicas se aplicaron hasta alcanzar una determinada temperatura la cual fue mantenida durante una hora. Los ensayos consistieron en pérdida de masa, microscopia óptica, velocidad de pulso ultrasónico, resistencia de compresión residual, difracción de rayos X y porosidad. Se observó que con el incremento de la temperatura las propiedades físicas y mecánicas experimentaron grandes daños. Los resultados mostraron que el método de la velocidad de pulso ultrasónico es apropiado para la evaluación de la resistencia a la compresión y las propiedades micro-estructurales del concreto después de ser expuesto a fuego.

Incorporating other substances as raw materials for fermented sugar in alcohol distilleries

En el presente artículo se estudian diferentes alternativas para satisfacer el déficit de substratos azucarados, con el fin de lograr el uso planificado de la capacidad instalada de la producción de etanol en un área de varios ingenios y destilerías, primero minimizando el porcentaje de residuos en un 25,92%, a través del uso de corrientes secundarias y jugos diluidos, generados del proceso de producción de azúcar. La optimización del vínculo de mieles y del bagazo, entre los ingenios y las destilerías, permite resolver una importante incógnita que es el aprovechar la capacidad instalada durante todo el año, lo que significa incrementar el aprovechamiento hasta 154,96% de lo inicialmente planificado.

This paper presents alternatives for meeting the deficit in sugared substrates in a territory with several sugar mills and ethanol distilleries so they can reach their current production capacity. By using secondary currents and diluted juices from the sugar production process, wastage was first reduced to 26.92%. Then by optimizing the molasses linking and bagasse between sugar mills and ethanol distilleries, an important problem was resolved allowing production capacity to be met. This represented a 154.96% increase over what was initially planned.

Comparison of molecular models of carbon monoxide for calculation of vapor-liquid equilibrium

There are a number of molecular models for carbon monoxide developed from different experimental measurements. This paper aims to compare the results that several of these models produced in the calculation of vapor-liquid equilibrium, in order to recommend which model should be used according to the property and phase to be calculated. The selected models included four non-polar models, with one or two Lennard-Jones sites, and four polar models with dipoles or partial charges to represent the polarity of carbon monoxide. Gibbs-ensemble Monte Carlo simulations in the canonical version (NVT-GEMC) were used to determine the densities of the phases in equilibrium, the vapor pressure and vaporization enthalpy between 80 and 130 K with each of the selected models. It was found that the more complex molecular models, SVH, ANC and PGB, better described the density of the saturated liquid (about 7% average deviation), but these models generated deviations higher than 40% for vapor properties and 20% for vaporization enthalpy. On the other hand, the non-polar BLF model generated the lowest deviations for saturation pressure and vapor density (6.8 and 21.5%, respectively). This model, as the model HCB, produces acceptable deviations for liquid density and vaporization enthalpy (between 10 and 12%). The BLF and HCB models, being non-polar and not requiring the calculation of long-range interactions, can be considered as the molecular models presenting the most satisfactory balance between deviations of the results and calculation complexity.

Existen varios modelos moleculares para el monóxido de carbono desarrollados a partir de diferentes mediciones experimentales. El objetivo de este trabajo es comparar los resultados que varios de estos modelos producen en el cálculo del equilibrio líquido-vapor en busca de recomendar qué modelo debe ser usado de acuerdo la propiedad y la fase que se desea calcular. Los modelos seleccionados corresponden a cuatro modelos no polares, con uno o dos sitios Lennard-Jones, y cuatro modelos polares, con dipolos o cargas parciales para representar la polaridad del monóxido de carbono. Simulaciones Monte Carlo en la versión Gibbs canónica (NVT-GEMC) se emplearon para determinar las densidades de las fases en equilibrio, la presión de vapor y la entalpia de vaporización entre 80 y 130 K con cada uno de los modelos seleccionados. Se encontró que los modelos más complejos SVH, ANC y PGB, son los que mejor describen la densidad del líquido saturado (alrededor de 7% de desviación promedio), pero estos modelos generan desviaciones mayores al 40% para las propiedades del vapor y al 20% para la entalpia de vaporización. Por otro lado, el modelo no-polar BLF generó las menores desviaciones para la presión de saturación y la densidad del vapor (6.8 y 21.5%, respectivamente). Este modelo, al igual que el modelo HCB, produce desviaciones aceptables para la densidad del líquido y la entalpia de vaporización (entre 10 y 12%). Los modelos no polares BLF y HCB, que no requieren el cálculo de las interacciones de largo alcance, se pueden considerar como los modelos moleculares que presentan un balance satisfactorio entre desviaciones en los resultados y complejidad de cálculo.

Influence of sodium chloride on the cloud point of polyethoxylate surfactants and estimation of Flory-Huggins model parameters

In this study, the influence of NaCl on the cloud point of polyethoxylate surfactants from the family of lauryl alcohol polyethoxylates (C12EOn) and nonylphenol polyethoxylates (NPEOn) was investigated. Liquid-liquid equilibrium curves of the aforementioned aqueous surfactant systems with the presence of NaCl were plotted and thermodynamic parameters based on the Flory-Huggins model were obtained. The visual method was used to determine the cloud point. Solutions containing surfactant concentrations between 0.5 and 20% (by weight) and NaCl between 4.9 and 12.1% (by weight) were prepared. Salt had a salting-out effect, decreasing surfactant solubility in water. Furthermore, the cloud point decreased with an increase of NaCl concentration. The Flory-Huggins model satisfactorily described the experimental data for all surfactant + NaCl aqueous mixtures studied.

Este estudio investigó la influencia de NaCl sobre el punto de niebla de los tensioactivos polietoxilados de la familia de polietoxilatos de alcohol laurílico y polietoxilatos de nonilfenol. Se representaron gráficamente las curvas de equilibrio líquido-líquido de los sistemas acuosos con tensioactivos anteriormente mencionados con presencia de NaCl, surgiendo los parámetros termodinámicos basados en el modelo de Flory-Huggins. El uso del método visual determinó el punto de niebla. Se prepararon soluciones con concentraciones de surfactante entre 0,5 y 20% (por peso) y NaCl entre 4,9 y 12,1% (por peso). La sal tenía un efecto salino, disminuyendo la solubilidad surfactante en agua. Además, el punto de niebla disminuyó al aumentar la concentración de NaCl. El modelo de Flory-Huggins describió satisfactoriamente los datos experimentales para todas las misturas acuosas de surfactante + NaCl estudiadas.

Simulating gas-liquid mass transfer in a spin filter bioreactor

Computational fluid dynamics (CFD) and population balance model (PBM) model have been used to simulate hydrodynamics and mass transfer in a 0.014 m³ Spin Filter Bioreactor. The operating conditions chosen were defined by typical settings used for culturing plant cells. Turbulence, rotating flow, bubbles breakage and coalescence were simulated by using the k-e, MRF (Multiple Reference Frame) and PBM approaches, respectively. The numerical results from different operational conditions are compared with experimental data obtained from kLa measurements and good fitting data is achieved. Interested by these simulated and experimental results CFD simulations are qualified as a very promising tool not only for predicting gas-liquid hydrodynamics but also for finding design requirements that must be implemented to optimize an aerobic bioprocessing useful for plant cell culture applications which are characterized by the constrain of achieving relatively high mass transfer conditions and avoiding cellular damage due to hydrodynamic conditions.

Mediante dinámica de fluidos computacional (CFD) y métodos de balance poblacional (PBM) se simuló la hidrodinámica líquido-gaseosa y la transferencia de masa en un biorreactor de 0,014 m³ operado con un Spin Filter para cultivos en modo perfusión. Las condiciones de operación fueron definidas con base en los requerimientos para células vegetales en suspensión. Los fenómenos de turbulencia, flujo giratorio, ruptura y coalescencia de burbujas fueron simulados utilizando los modelos k-e, MRF (Multiple Reference Frame) y PBM. Se logra una predicción aceptable mediante la comparación entre los resultados numéricos de las diferentes condiciones de operación y los datos experimentales de los valores del coeficiente de transferencia de masa kLa. Con la motivación de estos resultados simulados y validados experimentalmente, se observa que CFD puede ser una herramienta muy prometedora, no sólo para la predicción de la hidrodinámica líquido-gaseosa, sino también para encontrar los requisitos de diseño que se deben implementar para optimizar un proceso biológico aerobio útil para aplicaciones de cultivos celulares de plantas, que son comúnmente caracterizados por el requerimiento de mantener condiciones relativamente altas tasa de transferencia de masa y simultáneamente evitar el daño celular debido a las condiciones hidrodinámicas.

Evaluación del método de cálculo RLS 90 para la predicción de ruido automotor en condiciones colombianas

This paper presents an evaluation of the German standard RLS 90 (Richtlinien für den Lärmschutz an Straben) for the estimation of noise levels produced by the traffic flow in Colombian conditions. For this, environmental noise measurements and relevant information required to simulate road noise were taken in two different areas of the City of Medellín. From the collected data, simulations were performed using the commercial package SoundPLAN. The influence of the input data on the accuracy of the noise levels was assessed by means of the total expanded uncertainty of the noise maps. Furthermore, RLS 90 was compared with an alternative approach based on interpolation methods. The results indicate that the use of RLS 90 allows noise levels to be predicted with good precision in areas where road noise predominates. Compared to the interpolation approach, it lets greater accuracy in the output data. Lastly, regarding the input data, the outcomes suggest that the variables related to the source characterization have the highest impact in the uncertainty of the simulation.

Este artículo presenta la evaluación del método alemán RLS 90 (Richtlinien für den Lärmschutz an Straben) para la predicción del nivel de ruido producido por el tráfico rodado en condiciones colombianas. Para esto, mediciones de ruido ambiental e información de entrada requerida para las simulaciones fueron adquiridas en dos diferentes áreas de la ciudad de Medellín. A partir de la información recolectada en campo, se realizaron simulaciones de ruido utilizando el software comercial SoundPLAN. La influencia de la información de entrada en la precisión de las simulaciones fue evaluada utilizando la incertidumbre total expandida de los mapas de ruido. En adición, RLS 90 fue comparado con una técnica alternativa para la construcción de mapas de ruido basada en el uso de mediciones de ruido e interpolación. Los resultados indican que la implementación del método RLS 90 permite estimar los niveles de ruido automotor con buena precisión en áreas donde el ruido producido por el flujo vehicular es predominante. Comparado con la técnica de interpolación, los hallazgos sugieren que RLS 90 conlleva a una mejor precisión en la elaboración de mapas de ruido. Finalmente, con relación a las variables de entrada utilizadas en RLS90, los resultados apuntan a que los datos asociados con la caracterización de la fuente son las que mayor impacto tienen en la incertidumbre de la simulación.

Daily rainfall interpolation models obtained by means of genetic programming

The evolutionary computing algorithm of genetic programming (GP) was applied to obtain mathematical daily rainfall interpolation models in one climatologic station, using the measured data in nearby stations in Cutzamala River basin in Mexico. The obtained models take into account both the geographical coordinates of the climatologic station and also the elevation; the answer of these models was compared against those obtained by means of multiple linear regression, giving genetic programming models a better performance with respect to the multiple linear regression. Isohyets maps were then obtained to compare the spatial shapes between measured and calculated rainfall data in Cutzamala River Basin for a maximum historic storm recorded in year 2006, showing an adequate agreement of the results in case of rainfalls greater than 23 mm. Genetic programming represents a useful practical tool for approaching mathematical models of variables applied in engineering problems and new models could be obtained in several basins by applying these algorithms.

Se aplicó el algoritmo de cómputo evolutivo de programación genética (PG) para obtener modelos matemáticos de interpolación de precipitación diaria en una estación climatológica, utilizando datos medidos en las estaciones cercanas a la cuenca del Río Cutzamala en México. Los modelos obtenidos toman en cuenta tanto las coordenadas geográficas de las estaciones climatológicas como su elevación; la respuesta de los modelos se comparó contra los resultados obtenidos con ayuda de regresiones lineales múltiples, presentando un mejor desempeño programación genética. Adicionalmente, se construyeron mapas de isoyetas para comparar las formas espaciales entre los datos de precipitación medidos y calculados en la cuenca del Río Cutzamala para una tormenta máxima histórica registrada en el año 2006, observándose concordancia en los resultados en el caso de precipitaciones mayores de 23 mm. La programación genética representa una herramienta de utilidad práctica para aproximar modelos matemáticos de variables aplicadas en problemas de ingeniería y se pueden obtener nuevos modelos en distintas cuencas al aplicar estos algoritmos.

Error analysis in obtaining scale factors with operational modal analysis and mass change

In operational modal analysis, the accuracy obtained in the identification of modal parameters, on the one hand, and the expertise in the modification of mass used to alter the dynamic behavior of the structure, on the other, decisively affect the accuracy achieved in the estimation of the scaling factors. Through experimental tests and numerical calculations, both the experimental validation of the estimate of the error in the scaling factor due to errors in the mode of vibration and the analysis of the influence of the modal mass in the variation of the scale factor, have been carried out. From all the above, it is concluded that it is necessary to pay special attention to how to make and modify inertial increments, i.e. changes in mass.

En el análisis modal operacional, por una parte, la exactitud obtenida en la identificación de los parámetros modales y, por otra, la pericia en la modificación de masa utilizada para alterar el comportamiento dinámico de la estructura, afectan de forma decisiva la exactitud alcanzada en la estimación de los factores de escala. Mediante ensayos experimentales y cálculo numérico, se ha realizado la validación experimental de la estimación del error en el factor de escala debido a errores en el modo de vibración, así como el análisis de la influencia de la masa modal en la variación del factor de escala. De todo ello se concluye que es necesario prestar especial atención a la forma de realizar y modificar los incrementos inerciales, es decir, la modificación de masa.

Robust tracking control for linear vibrating mechanical systems

A novel output feedback tracking control approach is proposed for underactuated linear mass-spring-damper vibrating mechanical systems of multiple degrees of freedom. The presented control design methodology considers robustness against unmodeled dynamics and external forces. The proposed control scheme only requires measurements of the position output variable. Tracking error integral compensation is properly used to avoid real-time disturbance estimation. Analytical and numerical results prove the effectiveness of the introduced active vibration control scheme for resonant and chaotic vibration attenuation on the output variable response.

Se propone un enfoque de control novedoso para seguimiento por realimentación de la salida para sistemas mecánicos vibratorios del tipo masa-resorte-amortiguador lineales sub-actuados. La metodología de diseño de control que se presenta considera robustez con respecto de dinámicas no modeladas y fuerzas externas. El esquema de control propuesto solamente requiere mediciones de la variable de la salida de posición. Se utiliza compensación integral del error de seguimiento de manera apropiada para evitar la estimación en tiempo real de las perturbaciones. Resultados analíticos y numéricos muestran la efectividad del esquema de control activo de vibración para atenuación de vibraciones resonantes y caóticas afectando la respuesta de la variable de salida.