Investigación

El CIAID busca ser un actor destacado dentro del programa nacional de ciencia y tecnología, así como un referente de investigación aplicada en la región.

Los proyectos de desarrollo en temáticas aplicadas apalancan la investigación dentro del Grupo de investigación en Ingeniería Avanzada, Investigación y Desarrollo avalado por CIAID y registrado ante MINCIENCIAS.

El grupo es, además, un pivote para el trabajo sinérgico de nuestro equipo de trabajo, propiciando una producción más relevante y de mayor impacto.

Línea de investigación en simulación computacional de gran detalle

Objetivo de la Línea

Plantear y desarrollar proyectos de Investigación y Desarrollo (I+D) utilizando la simulación computacional de gran detalle. El desarrollo de métodos computacionales, la programación de software a medida y la ejecución de dicho software en supercomputadores son las actividades principales que se realizan dentro de la línea de investigación, ya que éstos permiten obtener mayores alcances en los proyectos de I+D y son elementos diferenciadores frente a otros grupos de investigación en ingeniería.

Logros de la Línea

Haber establecido una metodología robusta para abordar los problemas en ingeniería y haberles dado solución mediante las simulaciones computacionales de gran detalle. También, haber conformado un grupo de trabajo que se ha entrenado en la investigación de temas tecnológicos actuales y en el desarrollo de software computacional para ser aplicado en computación de alto desempeño. Por último, se evidencia la creación de una escuela del conocimiento en simulación computacional.

Efectos de la Línea

La carencia de empresas, centros de investigación, o grupos de investigación asociados a universidades colombianas que puedan dar respuesta a la solución de problemas en la ingeniería y en la sociedad mediante las simulaciones computacionales complejas es actualmente la gran motivación para desempeñar ésta línea de investigación. Más aún, surge la necesidad de propiciar la aplicación del conocimiento científico y tecnológico relacionado con la simulación computacional de gran detalle en la solución de los problemas de la sociedad colombiana (en sus ámbitos productivos o humanos) como medio de desarrollo del país.

Línea de investigación en modelación y análisis matemático

Objetivo de la Línea

Identificar problemas dentro de los sectores natural, productivos y organizacionales cuya solución impacte positivamente a la sociedad. Implementar avances en áreas abstractas de las ciencias naturales, principalmente de las matemáticas, la física, la química y la biología, en el planteamiento de los problemas a solucionar. Modelar matemáticamente la fenomenología presente en los problemas a resolver, propiciando una adecuada relación entre complejidad y exactitud según las necesidades y restricciones de cada caso. Desarrollar técnicas analíticas que resuelvan los problemas de ecuaciones diferenciales parciales mediante la simplificación de los problemas y la separación y/o transformación de las variables. Demostrar existencia y unicidad de los problemas matemáticos que modelan fenómenos físicos. Fomentar la relación de investigadores y expertos en Ciencias naturales con ingenieros y tecnólogos para agregar un valor práctico a su conocimiento abstracto.

Logros de la Línea

Haber adelantado análisis teóricos en el área de modelacion de fenómenos naturales, principalmente en el área de la mecánica de fluidos, planteando metodologías analíticas para resolver las ecuaciones descriptivas de los fluidos incompresibles. Haber establecido posibles aplicaciones prácticas para los hallazgos analíticos de la física de fluidos.

Efectos de la Línea

Ampliar el reconocimiento de las ciencias básicas como el cimiento fundamental de las demás Ciencias aplicadas. Ampliar la capacidad analítica y descriptiva de la ciencia y la tecnología. Fomentar la relación de científicos de ciencias básicas con ingenieros e investigadores en ciencias aplicadas.

Línea de investigación en procesamiento y análisis de grandes volúmenes de datos

Objetivo de la Línea

Aplicar métodos matemáticos, principalmente estadísticos, para el análisis y la toma de decisiones basados en grandes volúmenes de información. Plantear metodologías robustas que comprendan toda la cadena de procesamiento de grandes volúmenes de datos. Desde la obtención de los datos, su procesamiento computacional, su visualización y la toma de decisiones basada en modelos predictivos. Desarrollar algoritmos eficientes en el procesamiento de grandes volúmenes de datos implementando los recientes avances en encapsulamiento y estructuras de datos.

Logros de la Línea

Haber reducido las dimensiones de descripciones estadisticas multidimensionales y temporales mediante la aplicación de técnicas algebraícas. Haber desarrollado métodos numéricos para el procesamiento de grandes volúmenes de datos que permiten la visualización e identificación de patrones. Haber implementado técnicas novedosas en el encapsulamiento de grandes volúmenes de datos para su transferencia y procesamiento eficiente en computación de alto rendimiento.

Efectos de la Línea

Analizar los resultados numéricos provenientes de simulaciones computacionales de gran detalle cuya interpretación requiere de una alta cantidad de memoria computacional así como de un alto costo computacional en su post-procesamiento. Lograr una toma de decisiones ingenieriles y organizacionales basada en la interpretación de grandes volúmenes de datos.

Línea de investigación en análisis de sistemas urbanos

Objetivo de la Línea

Representar el comportamiento de la ciudad mediante su abstracción como un sistema de múltiples componentes que se relacionan entre sí de forma compleja. Establecer modelos matemáticos descriptivos del sistema urbano mediante la aplicación de las ecuaciones de balance de masa, energía, información y entropía. Analizar la relación entre la diversidad de los elementos del sistema urbano y su capacidad de resiliencia, definiendo métricas para cada uno de éstos conceptos de la ciudad. Identificar metodologías de muestreo que sirvan como observaciones válidas de las variables descriptivas del modelo urbano. Aplicar métodos estadísticos de inferencia multivariable para identificar patrones en el sistema urbano y relacionarlo con su condición histórica. Desarrollar métodos numéricos para el procesamiento de grandes volúmenes de datos estadísticos provenientes de observaciones de la ciudad.

Logros de la Línea

Haber relacionado el concepto de ciudad con el de un organismo que lucha por su supervivencia, y especialmente haber planteando los balances másicos y energéticos que son propios de la ecología urbana junto con los nuevos conceptos de balance de información y entropía. Haber diseñado una metodología estadística para la predicción del estado actual y futuro de la ciudad mediante técnicas de reducción dimensional, visualización de datos y formulación variacional del sistema.

Efectos de la Línea

Organizar la información descriptiva de la ciudad como el ingrediente fundamental en el análisis de su estado actual y futuro. Propiciar un ejercicio técnico de la planeación urbana, así como de la formulación de políticas públicas. Fomalizar una academia de ciencias aplicadas al análisis urbano.

Proyectos internos

Aplicación de metodologías computacionales de interacción fluido-estructura para mejorar el desempeño de turbinas eólicas

La crisis medioambiental y la futura escasez de las fuentes de energía fósil ha llevado a que se popularice el desarrollo de tecnologías para el aprovechamiento de fuentes renovables, tales como las turbinas eólicas. Sin embargo, fuentes tradicionales como el carbón y el gas siguen dominando la producción mundial con un 60% de la demanda. Por lo tanto, para que la implementación en campo de estas turbinas sea mucho más viable es necesario incrementar su eficiencia, y una alternativa es mejorando el desempeño aerodinámico de sus palas por medio de simulaciones usando la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés). Sin embargo, el CFD hace la suposición de considerar la pala como un cuerpo rígido, despreciando cualquier deformación y/o desplazamiento que podría sufrir la estructura de la pala debido a las tracciones del fluido, lo cual, puede llevar a sobrestimar su desempeño real. Por lo tanto, para superar las limitaciones del CFD se pueden realizar análisis numéricos de interacción fluido-estructura (FSI por sus siglas en inglés), los cuales permiten simular de forma acoplada y dinámica el flujo de aire interactuando con una estructura deformable. Estos análisis FSI computacionales permiten hacer una mejor aproximación del comportamiento real de las palas de un aerogenerador. Adicionalmente, las estrategias FSI tienen la ventaja de capturar fenómenos de acoplamiento entre la estructura y el fluido que pueden ser aprovechados para mejorar el rendimiento de los aerogeneradores. Ese es el objetivo del presente proyecto, realizar el análisis FSI computacional de aerogeneradores tipo Darrieus y alas oscilantes y proponer modificaciones de su estructura incluyendo parcialmente componentes flexibles que busquen incrementar la eficiencia aerodinámica de las palas. Todo este desarrollo se soporta sobre herramientas computacionales utilizando el método de elementos finitos y estrategia de mallas no conformes óptimas para analizar fenómenos FSI con grandes desplazamientos, que son propios en el tipo de aerogeneradores analizados.

Diseño arquitectónico y energético de dos viviendas unifamiliares en clima tropical y clima templado apoyado en herramientas computacionales de simulación

Colombia, a pesar de no tener estaciones, es uno de los países con climas más diversos del mundo: cuenta con varios tipos de clima; clima tropical, clima seco, clima templado, clima continental y clima polar. Esta diversidad climática incide en la variación del diseño arquitectónico y la tipología de construcción dependiendo de la región. Sin embargo, hasta la fecha no hay investigaciones que enfaticen en el confort térmico y planteen soluciones sostenibles para proyectos de vivienda unifamiliar y de bajo costo en diversas regiones colombianas. Pocos son los aportes teóricos y técnicos que se han reportado en el ámbito arquitectónico nacional satisfaciendo dicha complejidad. Esta investigación busca generar alternativas frente a esta problemática, con argumentos cuantitativos por parte del componente técnico del proyecto, así como con la evaluación de estrategias pasivas dentro del diseño arquitectónico. Todo esto basado en la adopción y/o el desarrollo de herramientas computacionales que apoyen todo el proceso de toma de decisiones. Especialmente aplicadas al tipo de vivienda unifamiliar más ampliamente usada en el territorio nacional: la vivienda unifamiliar aislada. Efectivamente, las técnicas computacionales propuestas en el presente proyecto encuentran una solución aproximada al comportamiento real de los fenómenos energéticos y permiten ensayar diferentes parámetros de operación, reduciendo los costos constructivos y operativos al evaluar construcciones y sistemas de grandes dimensiones, tales como las edificaciones.

Análisis de datos e identificación de patrones en sistemas urbanos de distintas escalas

Después de estudiar el estado del arte en el ámbito de la sostenibilidad urbana se encuentra una brecha de conocimiento que se puede sintetizar así: hasta el momento no se ha planteado una metodología cuantitativa que aproveche los datos históricos medidos en distintos sistemas urbanos para identificar patrones particulares de los componentes de dichos sistemas. Tampoco se ha planteado una análisis de la correlación que existe entre los datos de los distintos sistemas urbanos. En especial, para visualizar y cuantificar la variación dinámica de los patrones en la información como un método para predecir el comportamiento y las tendencias de los sistemas de indicadores medidos sobre las urbes. Además, al describir ese cambio temporal y sintetizar gráficamente los patrones encontrados, se podrá plantear una teoría sólida que correlacione las variables económicas, sociales y ambientales con la sostenibilidad de las ciudades. Por lo tanto, el objetivo general del proyecto es aplicar una metodología analitica de datos (estadística y matemática descriptiva) en distintos sistemas urbanos -de diferentes escalas- representados por medio de un sistema de información, que sea capaz de describir las relaciones subyacentes entre sus elementos y con el marco general del desarrollo urbano sostenible. Las metodologías estadísticas y matemáticas que se aplicarán en el proyecto han sido previamente validadas y aprovechadas únicamente para el análisis de sostenibilidad de la ciudad de Barcelona, España, obteniendo descripciones históricas sobre las tendencias del sistema urbano que difícilmente se habrían podido entender con los simples datos urbanos medidos. Por lo tanto, al incluir más ciudades en el estudio, se espera encontrar patrones y relaciones que no han sido identificadas hasta la fecha.

Interacción fluido-sólido mediante métodos de malla no conformes

Esta tesis pretende comprender mejor la aproximación numérica de la interacción fluido-sólido que implica grandes deformaciones y desplazamientos de un sólido inmerso dentro del campo de flujo. Se puede aplicar como una herramienta de ingeniería para mejorar el diseño de componentes mecánicos que normalmente conduce a varios desafíos numéricos y algorítmicos. La estrategia numérica en esta tesis utiliza métodos de malla fija y no conforme debido a su capacidad para resolver el flujo de fluidos en una malla estática incluso con desplazamientos considerables de los límites internos. Pero en este trabajo se desarrollan otros ingredientes numéricos para superar los problemas de inestabilidad que pueden aparecer en la solución numérica y para hacer asequible dicho cálculo. Uno de ellos es la aplicación del marco VMS (Variational Multi-Scale) para construir una formulación discreta estable de las ecuaciones de flujo incompresible. Otros tienen que ver con los métodos de malla no conformes.

Formulación del potencial eléctrico vectorial en electrostática: tratamiento analítico del electrodo de superficie abierta

El potencial eléctrico vectorial Θ(r) es una herramienta legítima -pero raramente utilizada- para calcular el campo eléctrico estable en regiones sin carga. Normalmente se prefiere emplear el potencial eléctrico escalar Φ(r) en lugar de Θ(r) en la mayoría de los problemas electrostáticos. Sin embargo, la formulación del potencial eléctrico vectorial puede ser un enfoque viable para estudiar ciertos sistemas. Uno de ellos es el electrodo de superficie con hueco (SE): una región planar finita A_ que se mantiene a un potencial fijo Vo con un hueco de grosor ν respecto al campo restante conectado a tierra. En este documento, se utiliza el teorema de descomposición de Helmholtz y la formulación del potencial eléctrico vectorial para proporcionar expresiones integrales para la densidad de carga superficial y el campo eléctrico del SE abierto de contorno arbitrario ∂A. Se demuestra que el campo eléctrico de la SE circular con brecha en el espacio R3 puede obtenerse a partir del promedio de la solución de la SE sin brecha sobre la brecha. Aunque el enfoque se ilustra con la SE circular, la estrategia podría utilizarse en otras geometrías si se conoce la solución correspondiente sin hueco. Los resultados analíticos están de acuerdo con las aproximaciones numéricas del problema electrostático mediante el método de los elementos finitos. Por último, se proporciona el análogo magnético de la SE con huecos.

Campo electrostático de electrodos de superficie dependientes del ángulo

Presentamos una estrategia analítica para encontrar el campo eléctrico generado por el electrodo de superficie SE con potencial dependiente del ángulo. Este sistema es una región plana A mantenida a un potencial eléctrico fijo pero no uniforme V(ϕ) con una dependencia angular arbitraria. Se muestra que el campo eléctrico generado se debe a la contribución de dos campos: uno que depende de la circulación en el contorno de la región plana -en un término tipo Biot-Savart (BSL)- y otro que da cuenta de las variaciones angulares del potencial en A. Este enfoque puede utilizarse para encontrar soluciones exactas del campo eléctrico BSL para contornos circulares o poligonales de la región plana con distribuciones periódicas del potencial eléctrico. Los resultados analíticos se validan con cálculos numéricos y el método de elementos finitos.

Productos y publicaciones

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