Examinando por Autor "Arias Zugasti, Manuel"
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Publicación Accurate and efficient calculation of multicomponent thermal diffusion coefficients and partial thermal conductivity based on kinetic theory(Elsevier, 2022-03-25) Córdoba, Oscar; Arias Zugasti, ManuelThe calculation of the multicomponent thermal diffusion coefficients and partial thermal conductivity of polyatomic gas mixtures, with large numbers of components, based on the Kinetic Theory of Gases is revisited. The terms involving inelastic collisions and relaxation times for various internal degrees of freedom are considered, in addition to the classical Chapman-Enskog expressions. For polar gases, the resonant exchange of rotational energy is also accounted for. The present work is the natural extension of the algorithms shown in Combust. and Flame 163 (2016) 540-55 for the calculation of the Fick’s law multicomponent diffusion coefficients, of which it makes use. This work presents a new iterative algorithm for the calculation of the multicomponent thermal diffusion coefficients and partial thermal conductivity. This new algorithm has been implemented in the C++ library MuTLib (Multicomponent Transport Library), available for the transport properties calculations in third party applications and included in the additional material of this publication. The algorithm performance improvements are shown in two different flames: a hydrogen premixed flame and a methane diffusion flame. The results are successfully compared against the library package EGLib (Ern-Giovangigli Library, which considers the same physical effects as this work), and to the well known mixture averaged approximation.Publicación Análisis de distribuciones de carga espacial emitidas por atomización electrohidrodinámica (electrospray) en vacío(Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Escuela Internacional de Doctorado. Programa de Doctorado en Ciencias, 2018-10-16) Hernández San José, Casiano; Arias Zugasti, ManuelEl método de atomización electrohidrodinámica consiste en la emisión de un spray de gotas submicrométricas cargadas eléctricamente (o electrospray), el cual se genera al aplicar un campo eléctrico con una intensidad superior a un valor crítico sobre la superficie libre de un líquido con una cierta conductividad, situado en la boca de un tubo capilar denominado emisor. Al superar este valor umbral, la superficie libre del líquido en la punta del emisor adopta la forma de un cono, denominado cono de Taylor. En la configuración más habitual, desde el vértice del cono se expele un microchorro o jet, el cual, debido a la inestabilidad de Rayleigh, se rompe generando el spray de gotas cargadas. El tamaño de las gotas que forman el electrospray depende fundamentalmente de la viscosidad, la conductividad eléctrica y la tensión superficial del líquido. En particular, las gotas producidas son más pequeñas conforme aumenta la conductividad del líquido. Por esta razón, el método de atomización electrohidrodinámica adquiere interés práctico sólo en líquidos conductores. En la inmediata vecindad de la punta de emisión existe una región dominada por los efectos de la distribución de la carga espacial, la cual se denomina región de carga espacial. En dicha región, la repulsión electrostática mutua ejercida por las partículas domina sobre el campo eléctrico externo. Esto hace que las trayectorias seguidas por las gotas cargadas se separen rápidamente, haciendo que aumente considerablemente la anchura del spray emitido. Como consecuencia de esta rápida separación de las trayectorias, la densidad espacial de carga decae rápidamente a medida que aumenta la distancia a la punta, alcanzándose una región donde el campo externo domina sobre el campo debido a la distribución de carga espacial. La técnica de atomización electrohidrodinámica en líquidos conductores ofrece importantes aplicaciones prácticas, por ejemplo, en el recubrimiento de membranas con sustancias catalíticas, en propulsión espacial, en encapsulado de partículas, etc. En todas estas aplicaciones, resulta fundamental predecir de manera precisa la forma del electrospray emitido, así como la intensidad máxima de corriente que puede lograrse en régimen estacionario antes de que la distribución espacial de carga emitida bloquee el electrospray. En particular, es fundamental conocer con precisión cómo varía la anchura del electrospray emitido con la distancia a lo largo del eje, ya que ello permitirá optimizar el diseño de electrodos intermedios, conocidos como extractores. Los extractores suelen emplearse para dirigir axialmente las partículas cargadas, evitando su eventual retroceso hacia el emisor debido al campo generado por la carga espacial, permitiendo de esta forma aumentar la intensidad máxima emitida por el electrospray, así como empaquetar números relativamente altos de puntas emisoras en un espacio reducido. El objetivo de este trabajo es el análisis teórico de la distribución espacial de carga emitida por electrosprays en vacío y en régimen estacionario. La descripción matemática del sistema se realizará por medio de la aproximación del continuo. El trabajo se centrará en la descripción de distribuciones de carga monodispersas, esto es, todas las gotas emitidas son idénticas. El punto de partida del trabajo es el modelo Euleriano simplificado (SEM) propuesto por J. Fernández de la Mora en 2012 para la descripción de la distribución espacial de carga emitida en un electrospray en vacío, en aproximación estacionaria y axisimétrica. En este modelo se describe un electrospray monodisperso desde un punto de vista euleriano por medio de la aproximación del continuo. De esta forma, la descripción del electrospray se realiza en términos de tres campos: la densidad numérica de gotas, el campo de velocidades de las gotas y el potencial eléctrico, los cuales dependen sólo de dos coordenadas espaciales en un sistema de referencia fijo en el laboratorio. Asumiendo que todas las partículas parten con la misma velocidad del electrodo emisor, considerado éste como una superficie equipotencial, se encuentra que el campo de velocidades de las partículas es irrotacional y, por tanto, puede describirse por medio de un potencial de velocidad. De esta forma, la descripción completa del electrospray es posible por medio de sólo tres campos escalares: el citado potencial de velocidad, junto con la densidad numérica de partículas y el potencial eléctrico. Estos tres campos escalares están determinados por tres ecuaciones en derivadas parciales: la ecuación de conservación de la energía, la ecuación de Poisson y la ecuación de continuidad, las cuales proporcionan las ecuaciones fundamentales del modelo matemático. A pesar de la simplicidad que consiste en describir el sistema por medio de sólo tres campos escalares, el problema ofrece dificultades de índole matemático. En primer lugar, el citado sistema de ecuaciones en derivadas parciales no es susceptible de ser resuelto de manera analítica ya que incluye ecuaciones no lineales, lo que implica que la resolución matemática del sistema de ecuaciones debe realizarse numéricamente. En segundo lugar, otra dificultad que se plantea tiene su origen en las singularidades características de la geometría del cono de Taylor, en particular la existente en la inmediata vecindad del vértice del cono. Estas singularidades deben resolverse de forma analítica antes de iniciar la correspondiente integración numérica del sistema. El presente trabajo se centrará en la descripción de la distribución espacial de carga en una cierta vecindad del vértice del cono de Taylor donde los efectos de carga espacial son importantes y deben tenerse en cuenta. Esto motiva que el trabajo de esta tesis tenga tres partes diferenciadas: 1. Implementación de un método numérico que permita resolver el sistema de ecuaciones diferenciales del modelo matemático. 2. Resolución analítica de la singularidad que presenta la densidad de carga espacial en el vértice del cono, lo que permite obtener la forma asintótica de la solución cerca del vértice. 3. Aplicación de ambas estrategias con el fin de obtener una solución completa, válida, tanto en la inmediata vecindad del vértice del cono, como más lejos. La memoria de esta tesis se distribuye en ocho capítulos y cinco apéndices. En el primer capítulo se establecen los objetivos fundamentales del trabajo. En el capítulo segundo se trata el estado del arte y la descripción de la cuestión que se investiga en el trabajo. En el capítulo tercero se introduce el SEM y se formula matemáticamente el problema, con sus ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y condiciones de contorno. En el cuarto capítulo se implementa un algoritmo en diferencias finitas para la resolución numérica de las ecuaciones del SEM. En el quinto y sexto capítulo se estudia, dentro del SEM, la singularidad de la densidad de carga espacial cerca del vértice, lo que proporciona el comportamiento asintótico del electrospray en la inmediata vecindad del vértice. En el séptimo capítulo se aplica el algoritmo numérico del SEM en diferencias finitas, implementado y probado en el capítulo cuarto, para obtener el comportamiento del electrospray lejos del vértice. En el último capítulo se enumeran las principales contribuciones al problema investigado en este trabajo y las futuras líneas de investigación que pueden derivarse del estudio realizado. Finalmente, la memoria termina con cinco apéndices con cuestiones de índole matemático cuyo tratamiento puede separarse del texto principal.Publicación Complete multicomponent versus mixture-averaged calculations of a laminar H2/N2 diffusion flame including heattransfer at the burner and Soret effects(Elsevier, 2025-01-09) Arias Zugasti, Manuel; Naud, Bertrand; Cuoci, Alberto; Elsevier; https://orcid.org/0000-0002-1882-0299The implementation of full multicomponent treatment of diffusion fluxes in the CFD solver for laminar reacting flows with detailed kinetic mechanisms laminarSMOKE++ is presented. The optimised 1+𝑀 multicomponent formulation (including Fick diffusion and Soret effects) derived from the Kinetic Theory of Gases, with a similar computational cost as mixture-averaged, is considered. Results are presented for a H2/N2 laminar coflow diffusion flame, where either heat transfer at the burner wall is included, either the wall is considered adiabatic. We observe that full multicomponent and mixture-averaged results are very similar when Soret effects are neglected. However, differences are observed when including thermodiffusion. In particular with heat transfer at the wall, large differences are observed whether thermodiffusion is neglected or included. In this case, the mixture-averaged approximation used for the thermal diffusion coefficients leads to significant differences in the results compared to the full multicomponent 1+𝑀 formulation.Publicación Estudio de flujo cardíaco mediante el método de colocación ortogonal(Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Facultad de Ciencias., 2015-10-15) Fernández Sánchez, Alejo; Arias Zugasti, ManuelLos patrones del flujo cardiaco son útiles para relacionar el flujo con la función cardiaca. Además de un mejor conocimiento de la función cardiaca en general, también existe interés desde el punto de vista clínico. Un ecografo doppler suministra información de las velocidades radiales de la partícula fluida. Esta información puede ser insuficiente para conocer el flujo como es el caso en que la dirección preferente de eyección está muy alejada del eje del ecógrafo. Además puede haber patrones interesantes de flujo, como vórtices, que por tener estructura como mínimo bidimensional, no se detectarían de este modo. En un trabajo reciente ref. 1 se propuso un modelo para estimar el campo de velocidades completo, estimándose la componente de la velocidad angular a través de una formulación lagrangiana, minimizando una función objetivo. Este modelo es válido para un flujo aproximadamente plano, que cumplirá además la ecuación de continuidad: Nosotros proponemos un modelo basado en el método de Colocación Ortogonal para estimar la velocidad angular con las mismas hipótesis de la ref 1: Los datos de velocidad son radiales, 2º se cumple la ecuación de continuidad, y 3º el flujo es aproximadamente plano. Se aplicó el esquema a la función de corriente ya conocida introducida en la ref 1. Se comparó la velocidad angular estimada con la analítica y se calcularon diferentes tipos de errores. Obtuvimos una disminución exponencial del error en función del número de nodos (de Lobatto), pero solo hasta el orden 20, a partir del cual el error se estabiliza. Pensamos que esto podría deberse a errores de redondeo o a un mal condicionamiento de las matrices inversas que son de órdenes elevados.Publicación Modelos 1D de la circulación en el árbol arterial y su simulación numérica(Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Facultad de Ciencias. Departamento de Física Matemática y de Fluidos, 2016-09-01) Yepes Segovia, Ramón; Arias Zugasti, ManuelEl objetivo de este trabajo es la descripción e implementación de modelos 0D y 1D para el modelado de las ondas de flujo y presión en las arterias. Debe subrayarse como se indica en [31] que las longitudes de onda del pulso arterial son lo suficientemente largas como para justificar matemáticamente el uso de modelos 1D en lugar de modelos 3D cuando se requiere una evaluación global del flujo sanguíneo, de hecho, estudios como [11, 32] han demostrado la capacidad de los modelos 1D para capturar las principales características de las ondas de presión y de flujo en las grandes arterias. En [31] se confía en la aplicación de los modelos 1D a problemas clínicamente relevantes y también como instrumentos para proporcionar condiciones de contorno para modelos 3D. La relevancia clínica de los modelos 1D requiere la disponibilidad de datos sobre la geometría de las arterias, la velocidad de la onda de pulso local, y las condiciones de contorno de la red arterial del paciente específico que se desea simular, y ahora la tomografía por ordenador, la resonancia magnética y la ecografía son capaces de proporcionar esta información sobre la geometría de las arterias de un paciente específico, así como información más limitada de la velocidad local de las ondas, lo que facilita el uso de modelos 1D de redes arteriales de pacientes específicos.Publicación Multi-mechanism theory of aerosol capture by fibrous filters, including fiber diameter/orientation dispersity and particle morphology effects. Preliminary tests vs. data for mobility-selected submicron particles(Elsevier, 2022-04-09) Rosner, Daniel E.; Arias Zugasti, ManuelIn Paper I (Sep. Purif. Technol. 257 (2021) 117676) we showed that a semi-analytic, multi-mechanism expression for the single-fiber capture fraction, cap,SF, (derived using asymptotically valid approximations: Ref < 0.4, Pef 1, R 1, R·Pe1/3 f arbitrary and Stkp Stkpcrit), facilitates a deterministic-, pseudo-continuum aerosol population-balance (PB-) approach to predicting fibrous filter performance. There we explicitly considered “deep” (Lf/df,g 1), low solidity idealized fibrous filters (FFs) challenged by polydispersed aerosols—especially single-mode log-normal (LN) ASDs of modest spread captured by a spatially uniform array of fibers of a single diameter in crossflow. However, realistic fibrous filter media often possess a LN distribution of fiber diameters, as well as a near-Gaussian orientation distribution narrowly spread about normal incidence ( = /2). Moreover, even if this were not so, there would be meso-scale departures from a uniform average fiber solid fraction. We show here that our tractable aerosol PBE-approach to idealized FF performance (Paper I) can be generalized to incorporate these particular structural features of commercially available fibrous filter media. But, to clarify whether these generalizations are likely to be useful, if not fully sufficient, for practical circumstances, it is also necessary to compare such methods/predictions against selected sets of well-defined experimental results. We initiate this program here, having chosen the recent experiments of Kang et al. (Sep. Purif. Technol. 209 (2019) 461–469) carried out using a commercially available fiberglass filter with Lf/df,g ' 300, mean solid fraction of 0.039, and df,g = 2.5 μm, successively challenged by mobility-selected KCl(s) particles (with diameters between ca. 20 and 600 nm) at the carrier gas velocities of 15 and 10 cm/s—capture conditions dominated by the transport mechanism of Brownian diffusion and convection, with “interception” (associated with non-negligible dp/df ) becoming important above ca. dp = 100 nm. We conclude from these data that the effective interception diameter, dp,icpt,eff, of the particles studied is systematically larger than their stated mobility diameters—a situation which will deserve further attention in future studies. Encouraged by these preliminary but instructive comparisons, we expect that, for many current and future design purposes, our present class of semi-analytic/non-stochastic/multi-mechanism methods will provide a welcome complement, if not alternative, to much more computationally-intensive simulation methods for realistic fibrous media that have been described and implemented in the recent aerosol filtration literature. The consequences of including these structural features of fibrous filters in the presence of aerosol size- and shape polydispersity will be the subject of future studies, based on the generalized Population Balance Equation developed/proposed in Section 3.3.