Ingeniería Hidráulica y Ambiental

Application of visual models in teaching and research

La enseñanza de la hidráulica se basa en ecuaciones teóricas y soluciones empíricas dadas por investigadores. También se emplean resultados de modelación física y matemática de los problemas. Pero no siempre puede mostrarse a la vista el comportamiento del flujo o, como en los modelos físicos, se necesitan laboratorios especializados. Por tanto falta una herramienta que reproduzca, cualitativa y cuantitativamente, el movimiento del fluido al atravesar diferentes obras. El presente trabajo aborda el uso, por primera vez en Cuba, de modelos visuales para ejemplificar el comportamiento de obras bajo diferentes situaciones. Usando un programa de modelación visual como el Flow3D, se obtienen soluciones de problemas relacionados con conducciones libres y forzadas y refuerza la acción del docente. Se favorece además la asimilación del estudiante al analizar el comportamiento de obras bajo distintas condiciones de trabajo.

Teaching in Hydraulics is based on theoretical equations and empirical solutions given by researchers. Also results from physical and mathematical models are used. But not always flow behavior can be clearly visualized or, as with physical models, specialized laboratories are required. Therefore, a tool is needed to reproduce, in quality and quantity, the movement of fluids across different types of conduits. This paper deals, for the first time in Cuba, with the application of visual models to visualize flow behavior under different situations. By applying the visual modeling software Flow3D, solutions to flow problems in channels and pipes can be visually observed, thus enhancing the teacher´s action. Also student comprehension is highly improved as he can watch different alternatives of flow under various working conditions.

Validity of Forchheimer binomial equation in convergent flow through porous media

El flujo en medios porosos a través de contornos paralelos ha sido ampliamente investigado en las últimas cinco décadas. Pero son pocos los estudios con permeámetros convergentes, menos aún cuando el flujo no sigue la ley de Darcy. Este trabajo utiliza resultados experimentales publicados recientemente por otros autores donde afirmaron que los parámetros de la ecuación binómica de Forchheimer cambian en el flujo convergente. El objetivo consiste en estudiar esta ecuación en el flujo convergente y demostrar su validez bajo estas condiciones. Se obtiene un excelente ajuste gráfico de una serie experimental cuando se emplean los valores de todas las secciones del modelo plano convergente. Este resultado demuestra que los parámetros lineal y no lineal de un medio poroso homogéneo tienen un valor que no depende del tipo de flujo.

Flow behavior through porous media with parallel boundaries has been widely studied in the last five decades. Nevertheless, only few studies have been reported about flow behavior through porous media with converging boundaries, even less when flow does not obey Darcy's law. This work is based on experimental results through a convergent flow permeameter published by other authors recently. They concluded that the Forchheimer equation parameters change in converging flow. The objective here is to study non-Darcy steady converging flow and to show the validity of the Forchheimer equation under these flow conditions. An excellent graphical adjustment is obtained for different width ratios when all values of sections on the plane convergent model are used. This result shows that linear and non-linear parameters of a homogeneous porous media have one value not depending on flow conditions.

About «friction» inside fluid mass in motion and along its solid boundary and about energy «loss»

La enseñanza de la mecánica de fluidos, todavía hoy, trata la energía necesaria para el traslado de determinada masa de fluido como energía «perdida» en el proceso de superación de la «fricción» en el seno de un fluido en movimiento y a lo largo del contacto con la frontera sólida. Existen expresiones del inglés como «pressure head» que si se traducen como «cabeza de presión», en vez de altura de presión, carecen de sentido. Los conceptos así llamados producen confusión si se contrastan con la primera ley de la termodinámica y con el sentido común. Se hace referencia a la ecuación de Bernoulli analizando el balance energético de fluidos reales en movimiento. Tales simplificaciones merecen ser corregidas en el siglo XXI al menos en la enseñanza universitaria.

Common teaching in Fluid Mechanics considers the necessary energy to produce fluid mass movement as «energy loss» in the process of overcoming «friction» inside the moving fluid mass. Both concepts should be renamed in order to get closer to what they are in the scientific truth. The concept of energy «loss» during fluid transport is a contradiction as far as the first law of thermodynamics is concerned. Reference is made to the equation of mechanical energy for real fluids in movement, well known as Bernoulli equation. This kind of simplifications should be corrected in the XXI century at least for the sake of college education.

Looped water supply networks are not more expensive (1^st part)

Las ventajas económicas de las redes malladas no han sido consideradas en los modelos de optimización que aparecen en la literatura. Este trabajo introduce una formulación que pretende encontrar una solución a este problema con un modelo de programación no lineal que se resuelve mediante cálculo diferencial clásico y la técnica de Newton-Raphson. Se muestra un ejemplo sencillo de cómo una red mallada puede ser menos costosa que una red ramificada. La investigación habitual en este campo generalmente optimiza una red con demanda de diseño conocida. Además, no se ha establecido cuál es el valor conveniente para la confiabilidad en el comportamiento de la red. Se introduce también una metodología que obtiene el valor adecuado para la confiabilidad de una red mallada así como la demanda de diseño apropiada mediante análisis de costos. Un segundo ejemplo ilustra el resultado de esta metodología.

The economic advantages of a looped network have not been considered in any of the optimization models found in the literature. This paper introduces a new formulation and methodology in an attempt to give a practical solution to this problem. The new formulation consists of a non-linear optimization model solved by classical differential calculus and the Newton-Raphson technique. An example shows how the looped network can be less costly than a branched one. Previous research usually optimizes the network for a given design demand. Also the value that should be specified as the desired network reliability has not been reported so far. This work introduces a methodology to obtain not only an adequate value for the reliability of a looped network but also the appropriate design demand as well based on a thorough cost analysis. A second example illustrates the detailed performance of this methodology.

Looped water supply networks are not more expensive (2^nd part)

En la primera parte de este trabajo se muestra que las ventajas económicas de una red mallada pueden revelarse explícitamente si se introduce un término, sobre costo de fallo, en la función objetivo de un modelo de optimización. Con un ejemplo se ilustró cómo una red mallada puede ser menos costosa que una ramificada. Adicionalmente, se introdujo una metodología para obtener no solo un valor adecuado para la confiabilidad de una red mallada sino también la demanda de diseño apropiada, todo a partir de un análisis de costos. En esta segunda parte se expone una visión más profunda sobre la comparación entre redes malladas y ramificadas mediante la aplicación de dicha metodología a ambos tipos de redes y comparando los resultados en términos de costo y de confiabilidad. Se incluyen también algunas consideraciones sobre distintas definiciones existentes de confiabilidad.

The first part of this work shows that the economic advantages of a looped network can be explicitly revealed by introducing a failure-cost term in the objective function of an optimization model. An example there illustrated how a looped network could be less costly than a branched one. A methodology was introduced in the first part to obtain not only an adequate value for the reliability of a looped network but also the appropriate design demand based on cost analysis. This second part presents a deeper insight into the comparison between looped and branched networks by applying the methodology to both types of networks and comparing the results in terms of cost and reliability. Considerations regarding available reliability definitions are also included.

Looped water supply networks are not more expensive (3^rd part)

Como el problema clásico de optimización de la red mallada es matemáticamente no-convexo y multimodal, la solución habitual es incierta al ignorar cuán cerca se está de la «mejor» solución. Frecuentemente se busca esta solución «mejor»' o «global» sin tener claro su significado. Esta tercera parte discute el alcance de la solución «global» y el papel que puede representar la distribución del flujo en las tuberías para enfrentar la no-convexidad y la multimodalidad en un nuevo contexto. Ese contexto se expuso en la primera parte, al formular una función objetivo capaz de demostrar que una red mallada puede competir con una red ramificada. En consecuencia, se argumenta ahora la conveniencia de trabajar con flujos y cargas piezométricas como variables y se enumeran sus ventajas en el marco de los nuevos conceptos. Dada su vinculación con lo expuesto, se estudia el tema de la máxima entropía de manera crítica y se incluye un ejemplo para su comparación con el enfoque propuesto.

As the classical water-supply looped-network optimization problem is mathematically non-convex and multimodal, the resulting solution of most approaches is uncertain in the sense of how close it is to the «best» solution. In many cases, this «best»' or «global» solution is invoked and pursued without a clear understanding of its meaning. This paper discusses what is involved in «global» solutions and the role that pipe flow distribution can play to deal with non-convexity and multimodality in a new context. The author has introduced this new context recently after formulating a new objective function capable of finding that a looped network can be economically more attractive than its related branched one. Therefore, the convenience of an approach dealing with flows and heads, as relevant decision variables, is encouraged in this paper and its advantages enumerated under the new concepts. The entropy approach is studied critically and an example is provided for comparison with the proposed approach.

**Fishing organic riles to culture Chlorella spp. and Moina sp. and their physico-chemical characteristics**

La repoblación de recursos pesqueros en Cuba, ha traído consigo la búsqueda de fuentes alternativas de alimentación, entre la que se cita Moina sp. alimentada con Chlorella spp. cultivada previamente en riles orgánicos de la pesca. Para ello se estudiaron las características físico-químicas del agua donde se cultivó el zooplancton, aplicando Chlorella spp. en suspensión como única fuente de alimentación. El estudio contempló las características del agua en acuarios y tanquetas donde se realizaron los experimentos, y del estanque de producción donde se colectó el zooplancton (temperatura del agua, pH, oxígeno disuelto, demanda bioquímica de oxígeno soluble, amonio, nitrito y fosfato). De acuerdo con los resultados, Moina sp. se desarrolla satisfactoriamente con el empleo de microalgas cultivadas con riles orgánicos de la industria pesquera, las que contribuyen a su vez al saneamiento del medio ambiente.

Fishing resources repopulation in Cuba has led to a search of feeding sources alternatives, like Moina sp. feeded with Chlorella spp. previously cultivated in fishing organic riles. To this end a study was made analysing water physico-chemical characteristics where zooplankton was cultivated, applying Chlorella spp. in suspension as a single feeding source. The study took into account both the aquarium and tanks where experiments were carried out, and in the production tank where the zooplankton was collected (water temperature, pH, dissolved oxygen, soluble biochemical oxygen demand, nitrite, ammonium and phosphate). According to the results obtained, Moina sp. can be developed by employing microalgae cultured in fishing organic effluents, which at the same time contribute to environmental improvement.

Hydrological modeling with HEC-HMS in mountainous basins of Cuban eastern region

Especialistas cubanos en los últimos años han dado pasos en la aplicación del HEC-HMS para obtener hidrogramas de avenidas en algunas zonas del país, pero la experiencia de aplicación alcanzada es todavía insuficiente. En este sentido la presente investigación realiza recomendaciones para la modelación con HEC-HMS en cuencas montañosas de la región oriental de Cuba a partir de su aplicación en la cuenca Las Coloradas, obteniendo experiencias en los métodos de cálculo de mejor aplicación y los valores que alcanzan sus parámetros. Se han tenido en cuenta las particularidades físico-geográficas y climáticas de las cuencas montañosas orientales y el estado de la información hidrometeorológica en las mismas.

In the last few years Cuban analysts have been working to obtain flood hydrograms in some regions of the country applying HEC-HMS model but the experience is not yet enough. The present paper reports research work with HEC-HMS model in mountainous basins of the Cuban eastern region and some recommendations are obtained from its application in Las Coloradas basin. Valuable experiences were derived with calculation methods and their best application range as well as suitable parameter values for them. Physico-geographic and climatical characteristics of eastern mountainous basins were taken into account and their existing hydrometeorological information.

Diagnosis of sea water intrusion situation south of Ciego de Ávila

Se hace un diagnóstico de la situación actual de la intrusión marina así como su comportamiento en el tiempo, con el objetivo de conocer su distribución espacial y realizar un correcto manejo del acuífero sin afectar al medio ambiente. Esto también sirve como línea base para enfrentar los futuros efectos del cambio climático en el área que corresponde al sur del poblado de Venezuela hasta la costa sur. Para ello se realizó un análisis de los datos de explotación, lluvia, profundidad del agua y concentración de las sales solubles totales para el fin del período seco de los años 1981, 1985, 1987, 1988 y 2010, estableciendo una relación entre la profundidad media de yacencia del agua y el máximo avance de la intrusión desde la costa, y determinando la profundidad media del agua que no debe sobrepasarse en el sector CA-II-1 para evitar la intrusión dentro de la zona sectorizada de la cuenca sur.

This work deals with present-day diagnosis of sea water intrusion situation and its behavior through time, with the objective of knowing its spatial distribution to accomplish a correct aquifer management without environmental drawbacks. At the same time it can be used as a base line to confront future effects of climatic change in the area south of Venezuela town down to the coast line. In this work several data were analyzed: aquifer exploitation, rain, depth to water table and total dissolved solids concentration during dry seasons of 1981, 1985, 1987, 1988 and 2010. A relationship was established between average depth to the water table and maximum advance of sea water intrusion from shore. It was found the average water table depth that cannot be exceed in hydrogeological sector CA-II-1 to prevent sea water intrusion inside hydrogeological sectors of southern basin (Ciego basin).