Cálculo del tensor dieléctrico efectivo de medios anisotrópicos granulados

Calculation of the effective dielectric tensor of granular anisotropic media

Carlos Enrique Román Velázquez (1999, [Tesis de doctorado])

En este trabajo nos hemos dedicado al problema del cálculo de la respuesta dieléctrica de sistemas formados por partículas anisotrópicas. Desarrollamos dos enfoques que aplicamos a dos distintos tipos de sistemas. En el primero, dentro de la aproximación dipolar, desarrollamos un formalismo para el cálculo del tensor dieléctrico efectivo de un medio compuesto granular con partículas anisotrópicas. Esto se hace dentro de la Aproximación de Campo Medio (ACM) basados en un modelo estadístico microscópico del material. Siguiendo un desarrollo riguroso, justificado en todo momento, desarrollamos una extensión de la ACM para este tipo de materiales. Esto nos ha permitido obtener correcciones al tensor dieléctrico efectivo al considerar correlaciones orientación-posición de las partículas, que son despreciadas usualmente en el método de cálculo de la ACM. Uno de los objetivos en esta parte es presentar una alternativa a los modelos fenomenológicos basados en la extensión de la ecuación de Maxwell Garnett o del método de Lorentz tomados de la teoría de la respuesta dieléctrica de medios con inclusiones isotrópicas. Por otra parte, lo riguroso de nuestro formalismo nos permite resolver controversias existentes entre los resultados de otros modelos no suficientemente justificados. En un segundo enfoque desarrollamos una representación espectral multipolar de la respuesta dieléctrica efectiva de un medio constituido por partículas esferoidales con tamaños, posiciones y orientaciones arbitrarias. Esta representación permite determinar la respuesta del sistema directamente de sus propiedades geométricas. Este método lo hemos aplicado a dos importantes sistemas de partículas anisotrópicas de geometría restringida. En el primero de ellos calculamos la polarizabilidad efectiva de una partícula esferoidal situada sobre un sustrato. En este caso la representación espectral de la respuesta dieléctrica nos ha permitido desarrollar un estudio sistemático de las propiedades ópticas de este sistema y determinar la importancia de las contribuciones multipolares en la respuesta del sistema como función de la forma de la partícula, su distancia al sustrato, y las propiedades dieléctricas del sustrato y el medio en que está inmersa. Aplicamos este...

esferoides, dieléctrico, multipolo CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS

IMPLEMENTATION OF A PHOTON PAIRS SPECTRAL CHARACTERIZATION SYSTEM

Oscar Alejandro Ramírez Espinosa (2023, [Tesis de maestría])

"Implementación de un sistema de caracterización espectral, para procesos de generación de pares de fotones. En el se caracterizan los procesos de Four Wave Mixing contra-polarizado y contra-propagante. Junto con las caracteristicas del sistema."

Four-wave mixing Correlaciones Fibras ópticas Contra-propagante INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS OTRAS ESPECIALIDADES TECNOLÓGICAS OTRAS ESPECIALIDADES TECNOLÓGICAS

Simulación y validación de la reparación de ductos en servicio por la deposición directa de soldadura

LUIS DANTE MELENDEZ MORALES (2023, [Tesis de doctorado])

El transporte de hidrocarburos por ductos enterrados es la forma más segura, confiable y económica para su suministro, estos pueden extenderse grandes longitudes territoriales e inclusive atravesar países con tal de satisfacer la demanda energética. No obstante, los ductos pueden sufrir daños provocados por el ambiente, su operación o bien provocados por terceros, siendo necesario que sean intervenidos reemplazando las secciones dañadas. Las regulaciones nacionales y tratados internacionales desalientan la liberación de grandes cantidades de gas natural a la atmósfera, por demás de que un paro de suministro conlleva a desabasto energético, multas y a costosas operaciones asociadas con la rehabilitación del ducto, forzando a soldar envolventes y accesorios sin detener la operación de los ductos, esto se conoce como “soldadura en servicio”. La soldadura en servicio es un proceso tecnológico, por el cual se puede efectuar la interconexión y la reparación de ductos mientras están en operación, previo a realizar estas actividades, se requiere que dos riesgos sean evaluados: agrietamiento por hidrógeno y quemada pasante. Las simulaciones actuales y validaciones evalúan estos riesgos de forma independiente, pero debido a su interdependencia estos riesgos deben evaluarse en conjunto. Un método de reparación que no es normalmente empleado, pero con un alto potencial debido a su simplicidad y versatilidad, es la deposición directa de soldadura. En la presente investigación, se realizó una simulación numérica fluido-termo-mecánica acoplada con validación experimental, de la reparación de un tubo con flujo presurizado conteniendo un defecto interno por la deposición directa de soldadura. Por medio de la cual, es posible predecir el comportamiento estructural del ducto mientras se realiza la reparación.

La simulación numérica se efectuó con el apoyo del software ANSYS versión académica 22R2, siendo esta una herramienta de última generación capaz de contribuir en la predicción de mecanismos complejos como lo es la soldadura en servicio, incrementando con ello la seguridad y confiabilidad de estas operaciones. Cabe hacer mención, que la regulación nacional prohíbe la reparación de defectos internos por la deposición directa de soldadura, esto se debe principalmente a la falta de investigaciones validadas que respalden su viabilidad. Los resultados demostraron la efectividad de emplear este método de reparación para restaurar la resistencia mecánica de los ductos. Las inspecciones por pruebas no destructivas superficiales, subsuperficiales y volumétricas, evidenciaron que no ocurrió agrietamiento inmediatamente al finalizar la reparación y retardada (posterior a por lo menos 12 horas después de haberse finalizada la reparación, tiempo suficiente para permitir la difusión de hidrógeno atómico a hidrógeno molecular). Las curvas de tendencia de temperatura mostraron buena aproximación teniéndose una diferencia máxima de 5.09% entre los resultados numéricos y experimental. Los resultados numéricos y experimentales de la deformación perimetral a lo largo de la longitud de la tubería mostraron un comportamiento similar con una diferencia significativa del 17.7% entre los valores numéricos atribuidos a la falta de información de entrada para las propiedades de la soldadura. El análisis estructural efectuado en este estudio emplea la estimación del riesgo de quemada pasante bajo presión interna, determinado por la ocurrencia de abultamiento radial localizado. Los resultados numéricos indican que no ocurre deformación plástica relevante. Se hace una fuerte recomendación para que las evaluaciones de análisis térmico empleen la morfología actual del defecto y no solo consideren el espesor remanente del tubo. De acuerdo con la revisión bibliográfica realizada y recientemente publicada, este tipo de simulación numérica acoplada con validación experimental de la reparación de ductos en servicio por deposición directa de soldadura para la reparación de defectos internos contemplando la prevención de quemada pasante y agrietamiento por hidrógeno no ha sido realizada con anterioridad.

Hydrocarbon transportation by buried pipelines is the safest, most reliable, and economical way for its supply; these can extend long territorial distances and even cross countries with the purpose of satisfying the energy demand. However, the pipelines can suffer damages caused by their environment, their operation, or provoked by third parties, making necessary interventions to replace the damaged sections. National regulations and international agreements discourage the release of large quantities of natural gas into the atmosphere; moreover, a stop in its supply entails an energetic shortage, fines, and expensive operations associated with the pipeline rehabilitation, forcing to weld sleeves and fittings without stop the pipeline operation, this is known as “In-Service Welding”. In-Service welding is a technological process for which interconnection and repair of pipelines can be made while they are in operation; before making it, two main risks need to be assessed: hydrogen cracking and burn-through. Current simulations and validations assess these risks independently, but due to their interdependence, these risks need to be assessed in conjunction. A repair method not normally used but with high potential due to its simplicity and versatility is the direct deposition of the weld. In the present research, a fluid-thermo-mechanical coupled numerical simulation with experimental validation was done of a repair on a pipe with pressurized flow having an internal defect by direct deposition of the weld. It is possible predict the structural behavior of a pipeline while the reparation is performed.

The numerical simulation was done with the support of ANSYS software academic version 22R2, the latest generation tool able to contribute to the prediction of complex mechanisms, as is in-service welding, increasing the security and confidence of these operations. It is worth mentioning that national regulation forbids the reparation of internal defects for direct deposition of the weld; the main reason is the lack of validated investigations supporting its viability. The results demonstrated the effectiveness of using this repair method to restore the mechanical strength of pipelines. Surface, sub-surface, and volumetric non-destructive inspections evidenced no cracking immediately to finish the repair and delayed (after at least 12 hours of having finished the repair, time enough to allow the hydrogen diffusion from atomic hydrogen to molecular hydrogen). Temperature tendency curves showed good approximations, having a maximum difference of 5.09 % between numerical and experimental. Perimeter deformation along the pipe length between numerical and experimental results displayed a similar behavior with a significant difference of 17.7% against numerical values attributed to the lack of input data for weld properties. The structural analysis performed in this study used the approach of the risk of burn-through under internal pressure determined by the occurrence of localized radial bulging. Numerical results indicated no relevant plastic strain occurs. It is strongly recommended that thermal analysis assessments using the actual defect morphology be performed, not only considering the remaining thickness of the pipe. According to the bibliographic revision performed and recently published, this kind of coupled numerical simulation of in-service repair or pipelines by direct deposition for repairing internal defects considering the prevention of burn-through and hydrogen cracking has not been done.

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Estudio de la estructura electrónica del diboruro de magnesio

Graciela del Carmen Ortiz Cortez (2004, [Tesis de maestría])

Se presenta un estudio de las propiedades estructurales y electrónica del estado base del diboruro de magnesio, MgB2. Se empleó el método de primeros principios para obtener las propiedades electrónicas relacionadas con el cálculo de la energía total del sistema, estructura de bandas, densidad de estados, análisis poblacional de Mulliken y densidad de carga electrónica; cálculos de masa efectiva de huecos ligeros y pesados, y de electrones, así como propiedades estructurales tales como parámetros de red y módulo de volumen. Los resultados se comparan con resultados experimentales y teóricos existentes en la literatura. Los cálculos ab initio fueron realizados por medio del método Hartree-Fock con correlación electrónica, el cual emplea combinaciones lineales de orbitales atómicos con un procedimiento de Campo Autoconsistente. Se empleó la aproximación de gradiente generalizado de Perdew-Wang de la teoría de funcional de la densidad para el término de correlación e intercambio. Todos los cálculos de la energía del estado base, funciones de onda electrónicas y propiedades del sistema fueron realizados con el programa computacional CRYSTAL98. Mediante cálculos de energía total se determinan los parámetros de red y el módulo de volumen, obteniéndose valores muy semejantes al valor experimental. Los cálculos de bandas de energía y densidad de estados obtenidos, así como también la información derivada del cálculo de la densidad de carga electrónica y masa efectiva, proporcionan información de la estructura electrónica de este material que concuerdan con otros resultados reportados. El análisis de la estructura de bandas indica un comportamiento metálico debido a contribuciones mayoritarias de las bandas p del B, observándose que dos bandas de valencia semillenas px,y cruzan el punto sobre el nivel de Fermi, proporcionando una región de huecos en la dirección -. La densidad de estados muestra contribuciones en mayor medida de orbitales p del B a la región de valencia y en menor medida de orbitales s y p del Mg. Se observa una banda ancha alrededor del nivel de Fermi formada por contribuciones de orbitales pz del Mg y B, denotando una gran correlación entre estos estados e indicando un fuerte enlace entre éllos. El estudio de la densidad de carga volumétrica muestra un enlace covalente B-B y un enlace tipo iónico Mg-B.

In this work we present a study of structural and electronic properties of the ground state of the magnesium diboride, MgB2. We performed an ab initio method to obtain electronic properties related with calculation of total energy of system, bands structure, density of states, Mulliken population analysis, and electronic charge density; the light and heavy hole and electron effective mass calculations, as well as structural properties such as lattice parameters and bulk modulus. The calculated data are compared with available experimental and theoretical results. The ab initio calculations were performed using Hartree-Fock method with electronic correlation, which employs linear combination of atomic orbital method (LCAO), in a self-consistent-field process. The generalized gradient correction of Perdew-Wang of the density functional theory approximation to the electron exchange-correlation potential was used. All the calculations of the ground state energy, electron wave functions and system properties were performed with the computational package CRYSTAL98. By means of total energy calculations, we determine the lattice parameters and bulk modulus and we obtained results very similar to the experimental data. The energy bands and density of state calculated, as well as the charge density and effective mass provide electronic structural information of this material, which agrees with other reported results. The analysis of the structural bands shows a metallic behavior due to a greater contribution of the B p bands. We observe that two unfilled px,y valence bands cross the point over the Fermi level and they provide a region of holes in - direction. Density of state shows that most of the contribution to the valence region comes from B p orbital, and to a lesser extent from Mg s and p orbital. We can observe a wide band around Fermi level made from contribution of both Mg and B pz orbital, which shows a strong correlation between these states, also, this indicates the strong bond between them. The study of the volumetric charge density shows a strong B-B covalent bond as well as an ionic bond MgB.

Superconductores de alta temperatura,Diboruro de magnesio,Estructuras electrónicas CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS