Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/50576 2026-07-06T07:36:26Z 2026-07-06T07:36:26Z León Moreira, Doménica Viviana Delgado Plaza, Emérita Alexandra, Director http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/69086 2026-06-18T18:34:11Z 2025-01-01T00:00:00Z

Simulación CFD del comportamiento y dinámico de una partícula de Biomasa Lignocelulosica durante el proceso de secado León Moreira, Doménica Viviana; Delgado Plaza, Emérita Alexandra, Director CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. This research project develops and validates a computational fluid dynamics (CFD) simulation model to characterize the thermal and dynamic behavior of the lignocellulosic biomass (yellow guayacan) drying process. The study addresses the need to technologically optimize drying processes in the CDTS laboratory, using a numerical approach to understand the transport phenomena that occur at the individual particle level. The methodology was based on the use of Ansys Fluent software under a multiphase Eulerian-Eulerian model. A prismatic geometry (100𝑥10𝑥5 𝑚𝑚) was designed that allowed for structured orthogonal discretisation, ensuring the stability of the solution in the face of common irregularities in spherical models. Transient simulations were performed under boundary conditions of 60°𝐶 and 0.5 𝑚𝑠⁄, evaluating the evolution of the velocity, temperature and moisture fraction fields. The results demonstrate that drying kinetics are governed by internal diffusion, where the low thermal conductivity of the material (0.15 𝑊𝑚·𝐾⁄) acts as the main limiting factor for the evaporation of bound water. Spatial analysis identified that the formation of the boundary layer and the wake zone induce asymmetric heat transfer on the surface of the chip. The model was validated by comparing it with experimental data from a massive load (León-Chamba, 2024), obtaining a coefficient of determination 𝑅2= 0.6295. Despite the inherent bias in scaling, the simulation accurately replicated the mass loss slope during the decreasing velocity period. In conclusion, the developed model constitutes a robust digital tool for predicting the thermodynamic behavior of biomass. The findings enable parametric studies to be carried out that reduce the need for costly experimental testing, facilitating the design of more efficient drying strategies based on precise control of temperature and air flow velocity. Keywords: Lignocellulosic biomass, CFD simulation, drying kinetics, heat and mass transfer CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. Este proyecto de investigación desarrolla y valida un modelo de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) para caracterizar el comportamiento térmico y dinámico del proceso de secado de biomasa lignocelulósica (Guayacán amarillo). El estudio aborda la necesidad de optimizar tecnológicamente los procesos de secado en el laboratorio del CDTS, utilizando un enfoque numérico para comprender los fenómenos de transporte que ocurren a nivel de partícula individual. La metodología se fundamentó en el uso del software Ansys Fluent bajo un modelo multifásico Euleriano-Euleriano. Se diseñó una geometría prismática (100𝑥10𝑥5 𝑚𝑚) que permitió una discretización estructurada ortogonal, garantizando la estabilidad de la solución frente a las irregularidades comunes en modelos esféricos. Las simulaciones transitorias se ejecutaron bajo condiciones de contorno de 60°𝐶 y 0.5 𝑚𝑠⁄, evaluando la evolución de los campos de velocidad, temperatura y fracción de humedad. Los resultados demuestran que la cinética de secado está gobernada por la difusión interna, donde la baja conductividad térmica del material 0.15 𝑊𝑚·𝐾⁄ actúa como el principal limitante para la evaporación del agua ligada. El análisis espacial identificó que la formación de la capa límite y la zona de estela inducen una transferencia de calor asimétrica en la superficie de la astilla. El modelo fue validado mediante una comparación con datos experimentales de una carga masiva (León-Chamba, 2024), obteniendo un coeficiente de determinación 𝑅2= 0.6295. A pesar del sesgo inherente al escalamiento, la simulación replicó con precisión la pendiente de pérdida de masa en el periodo de velocidad decreciente. En conclusión, el modelo desarrollado constituye una herramienta digital robusta para la predicción del comportamiento termodinámico de la biomasa. Los hallazgos permiten realizar estudios paramétricos que reducen la necesidad de pruebas experimentales costosas, facilitando el diseño de estrategias de secado más eficientes basadas en el control preciso de la temperatura y la velocidad del flujo de aire

2025-01-01T00:00:00Z Terán Yépez, Pablo Ramón Silva León, Jorge Francisco, Director http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/69084 2026-06-18T17:58:01Z 2026-01-01T00:00:00Z

Caracterización experimental del desprendimiento de vórtices en cilindros circulares inclinados mediante análisis espectral de frecuencias Terán Yépez, Pablo Ramón; Silva León, Jorge Francisco, Director CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. This study looks at how vortex shedding works in inclined circular cylinders. In this case, three-dimensional flow effects make traditional two-dimensional models less useful. The research was conducted experimentally in a wind tunnel utilizing hot-wire anemometry, and the Welch method was employed to analyze the power spectral density (PSD) of velocity fluctuations. The main goal of the analysis was to find the most important shedding frequencies and to look at the Strouhal number (St) along the cylinder’s normalized axial position (s/L). The experimental setup looked at a range of Reynolds numbers (Re), inclination angles (), and geometric configurations (upstream and downstream). The findings demonstrate that the wake does not display spatial characteristics. Along the cylinder axis, on the other hand, there are clear changes in the coherence of vortex shedding. In certain areas, distinct spectral peaks manifest, whereas in others, the flow structure becomes increasingly disordered. There are also changes in dominant frequencies and spectral broadening. In general, both the inclination angle and the axial position have a big effect on how energy is spread out when a vortex sheds. These results enable a quantitative spatial analysis of three-dimensional flow instabilities surrounding inclined cylinders, giving experimental insights into the behavior of this phenomenon under controlled conditions. Keywords: vortex shedding; inclined cylinder; Strouhal number; spectral analysis; three-dimensional flow CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. La presente investigación responde a la necesidad de cuantificar, describir y caracterizar la dinámica de desprendimiento de vórtices en cilindros circulares inclinados, una configuración en la que la naturaleza tridimensional del flujo reduce la aplicabilidad de los modelos bidimensionales clásicos. Con este propósito, se llevó a cabo un estudio experimental en un túnel de viento mediante anemometría de hilo caliente, utilizando el método de Welch para analizar la densidad espectral de potencia (PSD) de las fluctuaciones de velocidad. El análisis se orientó a determinar frecuencias dominantes asociadas por desprendimiento de vórtices y a evaluar el número de Strouhal (St) a lo largo de la posición axial normalizada del cilindro (s/L), considerando distintos números de Reynolds (Re), ángulos de inclinación () y configuraciones geométricas de posicionamiento (upstream y downstream). Los resultados evidencian que la estela del cilindro no mantiene un comportamiento espacial uniforme, sino que presenta variaciones apreciables en la coherencia del desprendimiento a lo largo del eje del cilindro. Asimismo, se identificaron regiones con picos espectrales claramente definidos que coexisten con sectores de menor organización en la estela, junto con fenómenos de ensanchamiento espectral y modificaciones en las frecuencias dominantes registradas. En este contexto, se observa que tanto el ángulo de inclinación como la posición axial influyen de manera significativa en la distribución de energía asociada al desprendimiento de vórtices. En conjunto, las mediciones experimentales permiten obtener una caracterización espacial cuantitativa de las inestabilidades tridimensionales del flujo alrededor de cilindros inclinados, aportando elementos para una mejor comprensión del fenómeno bajo condiciones experimentales controladas.

2026-01-01T00:00:00Z Garzón Noboa, Christian Federico Castillo Orozco, Eduardo Adán, Director http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/69083 2026-06-18T17:37:15Z 2026-01-01T00:00:00Z

Investigación numérica del proceso de sinterizado laser de pistas de cobre en celdas solares de Hetero-Unión de Silicio Garzón Noboa, Christian Federico; Castillo Orozco, Eduardo Adán, Director CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. The manufacturing of high-efficiency solar cells presents a challenge regarding the use of new materials and advanced manufacturing processes that allow the formation of conductive tracks (fingers and busbars) on silicon-based solar cells. Selective laser sintering (SLS) presents itself as an alternative due to its high precision and localized heating. This process allows for proper metallization of solar cells avoiding thermal damage. The control of sintering parameters such as laser power, speed and laser beam diameter are critical, and any variation in these can affect material integrity of the solar cell. The optimization of these variables in the metallization of silicon heterojunction solar cells (SHJ) is proposed through Computational Fluid Dynamics. Laser irradiation was modeled as a heat flux with Gaussian distribution and the thermal physical properties of the materials as temperature dependent. Optimal cases were found for sintering temperatures of 280 °C for the copper tracks, while 250 °C as the maximum allowable temperature for the copper-silicon interface. The relevance of this study is based on the need to migrate from empirical approaches based on trial and error to a predictive engineering technique. Keywords: laser sintering, copper nanoparticles, energy density, scanning speed, thermal tolerance, laser beam CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. La manufactura de celdas solares de gran eficiencia presenta un desafío en cuanto al uso de nuevos materiales y procesos de fabricación más avanzados que permitan la formación de las pistas conductoras sobre celdas solares a base de silicio. El sinterizado selectivo láser (SLS) se presenta como una alternativa por su alta precisión calentando únicamente la pista mediante una fuente de haz láser durante tiempos muy cortos, lo que permite una integración adecuada al sustrato y evitar dañarlo térmicamente. El control de parámetros de sinterizado como potencia, velocidad y diámetro del haz láser son críticos y la variación de cualquiera de ellos puede afectar la integridad de la celda. Se propone la optimización de dichas variables en la formación de las pistas conductoras en celdas solares de hetero-unión de silicio (SHJ) mediante modelado computacional, para lo cual se implementó el flujo de calor por área de irradiación láser con distribución gaussiana aplicada sobre la superficie de la pista. Se determinó casos óptimos para temperaturas de sinterizado de 280 °C y en la interfase cobre-silicio de 250 °C. La relevancia del presente estudio se sustenta en la necesidad de migrar de esquemas empíricos basados en ensayo y error hacia un modelo de ingeniería predictiva.

2026-01-01T00:00:00Z Ordóñez Saca, Brayan Gabriel Espinoza Andaluz, Mayken Stalin, Director http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/69082 2026-06-18T17:19:30Z 2025-01-01T00:00:00Z

Análisis computacional de capas difusoras de gases en celdas de combustible: Estudio de porosidad y tortuosidad usando el método de Lattice Boltzmann Ordóñez Saca, Brayan Gabriel; Espinoza Andaluz, Mayken Stalin, Director CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. Climate change mitigation has highlighted fuel cells as a promising candidate for energy generation. In order to improve fuel cell efficiency, the influence of microstructural characteristics and the relationship between porosity and tortuosity in fibrous porous media are investigated. Three-dimensional computational domains representative of gas diffusion layers were generated with porosities ranging from 0.70 to 0.90, using increments of 0.01, and flow simulations were performed using the Lattice Boltzmann method. For each porosity value, 400 independent evaluations were conducted, allowing for a robust characterization of the porosity–tortuosity relationship, with variability exclusively associated with the distribution of the solid phase within the computational domain. The results revealed a decreasing relationship between porosity and tortuosity, demonstrating that more porous media exhibit transport pathways with lower geometrical complexity. Additionally, it was determined that fiber arrangement significantly influences tortuosity, even for similar porosity values. Finally, the numerical stability and convergence of the model were quantitatively verified, enabling reliable simulations and providing data that contribute to the improved design of gas diffusion layers with optimized transport properties. Keywords: Gas Diffusion Layers, Fuel Cells, Lattice Boltzmann Method, Porosity, Tortuosity CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. La mitigación del cambio climático ha reflejado que las celdas de combustible sean un candidato para generación de energía. En mejora de la eficiencia de las celdas se estudia la influencia microestructural y la relación entre porosidad-tortuosidad en medios fibrosos. Se generaron dominios tridimensionales que reflejan a una capa difusora de gases en porosidades en el rango de entre 0.70 a 0.90 con incrementos de 0.01, y se realizaron simulaciones de flujo empleando el método de Lattice Boltzmann. Para cada valor de porosidad se realizaron 400 evaluaciones independientes, lo que permitió obtener una caracterización sólida de porosidad-tortuosidad asociando su variabilidad únicamente a la distribución de la fase sólida en el dominio computacional. Los resultados mostraron una relación decreciente entre porosidad y tortuosidad, evidenciando que medios más porosos comprenden a trayectorias de transporte de menor complejidad. Adicionalmente, se determinó que la disposición de fibras influye significativamente en la tortuosidad, incluido para porosidad similares. Finalmente, se verificó cuantitativamente la estabilidad y convergencia del modelo numérico permitiendo así modelar y aportar datos para un mejor diseño de capas difusoras de gases con transporte optimizado.

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