C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas.

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Dr. Humberto Salinas Tapia Abril 2015 FACULTAD DE INGENIERÍA CIRA

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN  El flujo de fluidos está presente en toda la naturaleza y son ampliamente experimentados por aquellas personas que la observan.  Sin el movimiento del fluido, la vida en la forma que la conocemos en la Tierra no podría existir.  El flujo de fluidos es vital para las plantas, los animales y las personas que viven en la Tierra.

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica  La mecánica de fluidos esta en cualquier campo de enseñanza de la ingeniería UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Leonardo Da Vinci siglo XVII Arquímedes, Newton, Euler, Lagrange, Navier –StokesEtc. Arquímedes, Newton, Euler, Lagrange, Navier –StokesEtc. UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Medición de flujos UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Evolución de los equipos UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Unidad 2: Visualización de Flujos La visualización del flujo es el estudio de métodos para mostrar un comportamiento dinámico en líquidos y gases. Leonardo Da Vinci dibujó imágenes de partículas finas de arena y virutas de madera que había sido mezcladas en líquidos en movimiento. Desde entonces, la visualización del flujo en laboratorio se han vuelto más exactos, con un cuidadoso control del tamaño y distribución de partículas. Los avances en la fotografía también ha ayudado a ampliar la comprensión del flujo de fluidos bajo diversas circunstancias. Recientemente, la dinámica de fluidos computacional (CFD) ha extendido las capacidades de los científicos para estudiar el flujo mediante la creación de simulaciones del comportamiento dinámico de los fluidos. El resultado de este análisis suele ser en 2D ó 3-D.

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica El objetivo es entonces, analizar un campo de flujo para identificar las diferentes características tales como turbulencia, vórtices, y otras formas de la estructura. “La visualización de flujos es el arte y/o ciencia de obtener una imagen clara de un campo flujo físico así como la capacidad de capturarlo en dibujo, fotografía, u otro dispositivo de almacenamiento de vídeo para su visualización o procesamiento posterior " Obtener una imagen clara de un campo de flujo Habilidad para capturar una imagen Ademas mostrar y procesar Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Porque visualización de flujos? La visualización se ve ahora como parte de la computación moderna. La visualización se ve ahora como parte de la computación moderna. Computación de alto rendimiento, genera grandes cantidades de datos... También, el desarrollo de tecnología de medición de alta resolución... Microscopios, scaners, satélites, Cámaras, etc.. Los Sistemas de información, implican no sólo grandes conjuntos de datos sino también, conexiones complejas...... Tenemos que aprovechar nuestros sentidos visuales para ayudar a entender los datos Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Visualización de datos= Vis científica + Vis de la información Visualización científica Visualización científica Datos numéricos de la ciencia, ingeniería y medicina Ozone layer around earth Visualización de la información Visualización de la información Datos numéricos y no numéricos Datos numéricos y no numéricos Automobile web site - visualizing links Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Imágenes, Animación, etc. Visualización Realidad Datos ObservaciónSimulación Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Tracers Hydrogen Bubbles Tufts Smoke Dyes Optical methods Particles Refractive index Polarization density Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica EJEMPLOSEJEMPLOS Burbujas de hidrogeno Partículas K. Kerenyi, S. Stein and J. S. Jones, Advanced flow visualization techniques for the Federal Highway Administration Hydraulics Research Laboratory, ASCE 2001 Humo Courtesy of Sergei I. Shtork, PhD Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica El estudio de las propiedades del flujo se desarrollan de forma experimental, la cual puede ser realizada, por medio de la medición de flujo y/o visualización de flujos; y de forma teórica donde se incluye el análisis y cálculo de modelos matemáticos. La tarea de la visualización de flujos es analizar de forma visible el proceso del fenómeno de transporte de un flujo. Esto puede ser de forma experimental o por medio de la simulación (solución de ecuaciones; teoria) Experimental Propiedades del flujo (fluido, calor, masa, etc) Medición de flujo Visualización de flujo Teoría Análisis Computadora (Cálculo, simulación) Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Métodos de visualización de flujos convencionales MétodoTipo Barreras trazadoras Película líquida Pintura termo-sensible Solución química Trazador (inyección directa) Partículas solidas Líquidos Gases Reacciones químicas Químico Electrolítico Foto químico Burbujas de hidrogeno Eléctricos Chispas (Spark) Humo Caliente Ópticos Schelieren Interferometría Holografía Moiré Cristal líquido Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Rango de aplicación del los métodos de visualización Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Los avances de las técnicas computacionales y los gráficos a color por computadora han contribuido a la nueva era de la visualización de flujos. Resultados de la teória Mediciones Gráficos a color Combinación de técnicas Almacenamiento en computadora Determinación de variables Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Computacional Teórica Simulación por computadora de un campo de flujo completo ó Solución numérica de ecuaciones gobernantes Medición de algunas condiciones de frontera + Tratamiento por computadora de ecuaciones gobernantes Computación gráfica Medición de campo de flujo completo Experimental Visualización Combinada Experimental Sistemas de adquisición de imágenes 1.- VF convencional 2. Dispositivos de imagen (Visión maquina) Procesamiento de imágenes por computadora + Computación gráfica Visualización Imagen con mejor calidad Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Líneas de corriente una línea tangente a la que en un momento dado es el vector velocidad en ese punto Venas líquidas lugar geométrico de partículas que han pasado por un punto prescrito durante un intervalo de tiempo especificadoTrayectorias Lugar geométrico de los puntos atravesados por una partícula de fluido durante un cierto intervalo de tiempo especificado Línea de tiempo línea que une diferentes puntos adyacentes en cualquier instante de tiempo Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica  De ahí la importancia de aplicar técnicas no intrusivas, como las técnicas de visualización óptica, para la comprensión de diferentes procesos y fenómenos que ocurren en la mecánica de fluidos e ingeniería hidráulica Partículas sembradas desde un punto fijo Partículas sembradas en el mismo instante de tiempo Trayectoria de la Partícula a través del tiempo Trayectoria Tangente del campo vectorial Unidad 2: Visualización de Flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica TÉCNICAS ÓPTICAS  Las técnicas ópticas tienen un carácter no destructivo (no invasivo) y son ideales en el ámbito industrial y de investigación en el comportamiento de flujo de fluidos, filtros ópticos, sensores, películas plásticas transparentes y propiedades físico-químicas de superficies, etc.  Las técnicas ópticas aplicadas al estudio del comportamiento de flujo de fluidos, se conocen también como técnicas de visualización de flujos. Unidad 3: Introducción a las técnicas ópticas aplicadas en la visualización de flujos

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica TÉCNICAS ÓPTICAS  Son técnicas que permiten el cálculo de diversas cantidades físicas de objetos y/o regiones de observación.  Velocidad  Temperatura  Presión  Distancia  Esfuerzo  Reconocimiento de patrones  Etc.  Las técnicas ópticas más usadas en la mecánica de fluidos e hidráulica permiten observar y determinar las propiedades de los campos de flujo, tales como:

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Componentes de las técnicas ópticas  Medio de estudio  Sistemas de iluminación  Sistemas de Captura  Software de procesamiento TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica  LDA’s (Anemómetros láser doppler)  Anemometría de hilo caliente (Hot-Wire Anemometry)  LIF (Fluorescencia inducida láser)  DGV (Velocimetría Global Doppler)  PDA (Anemometria de fase Doppler)  PIV (velocimetría por imágenes de partículas)  PTV (velocimetría por rastreo de partículas)  3D- PIV (stereoscopic PIV )  Holografía Digital PIV  Etc. TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica  Flujos industriales turbulentos  Flujos naturales que escurren sobre la tierra, oceanos y en la atmosfera que son turbulentos  Movimiento de Flujos turbulentos en 3D, vortices, y flujos difusivos gobernados por las ecuaciones de Navier-Stokes, ecuaciones que en algunos casos son muy complejas y dificiles de resolver  Todas las mediciones sencillas por hacer de flujos. TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica  Inventada por Yeh y Cummins in 1964  Medición de velocidades en la dinámica de fluidos (gas, líquido)  Permite medir en 3D  Mediciones no intrusivas (técnica óptica)  Técnica de medición absoluta (no requiere calibración )  Alta precisión  Alta resolución espacial debido a los pequeños volúmenes de medición  Requiere partículas trazadoras TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Flujo con partículas d (conocido) Velocidad = distancia/tiempo t (medido) señal tiempo Laser Divisor Luz dispersa de regreso Volumen de medición Detector Óptico Procesador Proceso de aplicación de LDAs TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Photo courtesy of Grundfos A/S, DK TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica PDA ( PDA (Anemometría de fase doppler)  Extensión del principio de LDA  Medición simultanea de las componentes de velocidad (sobre 3 componentes) y el tamaño de las partículas esféricas así como el flujo de masa, concentración, etc.  Es una medición no intrusiva (técnica óptica), on-line e in-situ  Técnica de medición absoluta (no requiere calibración)  Alta precisión  Alta resolución espacia (pequeños volúmenes de medición) TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Condiciones para la aplicación de PDA  Acceso óptico al área de medición (usualmente desde dos direcciones)  Partículas esféricas (gotas, burbujas, sólidos)  Homogeneidad del medio (partículas)  Normalmente deben conocerse los índices de refracción de la partícula y el medio continuo  El tamaño de la partícula debe estar entre 0.5 µm y unos cuantos milímetros  El máximo numero de partículas debe ser limitado TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Proceso de aplicación de PDA TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Photo: AVL, Graz, Austria TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Propósito: Medir valores medios y de fluctuación de variables en flujos de fluidos (velocidad, temperatura, etc.) Anemómetros de temperatura contante (CTA) Son utilizados para este propósito Es utilizado para medir finas estructuras en flujos turbulentos de gas y líquidos TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Medición de velocidad en ríos y lagos TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Pruebas en túneles de viento TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Medición de transporte de sedimentos TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica LIF (Fluorescencia inducida laser )   Es una técnica de medición óptica, empleada para medir campos de concentración (contaminantes) o mapas de temperatura en flujo de fluidos   Es utilizada principalmente en la mezcla de fluidos   Es una técnica no intrusiva   Cuantitativamente, es una técnica precisa y eficiente   En combinación con los campos de velocidad y las propiedades de transporte se pueden medir diferentes propiedades como son difusión, número de Reynolds, etc. TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Proceso de aplicación de LIF TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Mezcla de un Jet con un flujo transversal TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica Análisis de vórtices (rompimiento de estructuras) TÉCNICAS ÓPTICAS

C E N T R O I N T E R A M E R I C A N O D E R E C U R S O S D E L A G U A Curo MonográficoCuro Monográfico Técnicas ópticas aplicadas a la hidráulicaTécnicas ópticas aplicadas a la hidráulica BIBLIOGRAFÍA: 1. Merzkirch W. (1987), Flow Visualization, Ed. Academic Press, 2a Edition, Orlando Florida. 1. Merzkirch W. (1987), Flow Visualization, Ed. Academic Press, 2a Edition, Orlando Florida. 3. Alexander J. Smits, T. T. Lim, (2000), Flow visualization: techniques and examples, Ed. Imperial College Press. Alexander J. SmitsT. LimAlexander J. SmitsT. Lim 4. Terence Allen, (1997), Particle Size Measurement: Surface area and pore size determination, 5a Edition, Springer. Terence AllenTerence Allen 9. Frans T. M. Nieuwstadt (1993), Flow visualization and image analysis, Kluwer Academic Publishers, Frans T. M. NieuwstadtFrans T. M. Nieuwstadt 10. Eugene Hecht (2002), Optics, 4a. Edition, Addison-Wesley. Eugene HechtEugene Hecht 11. Rafael C. González,Richard Eugene Woods (2008), Digital image processing, 3a. Edition, Pearson Pretince Hall.

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