Lucas Monaldi

This work presents a systematic validation and benchmarking of an open-source numerical procedure for the assessment of blast loads and their interaction with rigid structures. The computational framework, based on the Kurganov–Noelle–Petrova (KNP) central-upwind scheme within OpenFOAM’s rhoCentralFoam solver, is evaluated against analytical solutions (Sedov theory), empirical guidelines (UFC-3-340-02), and experimental data, demonstrating its capability to accurately capture key engineering parameters, including shock wave overpressures, arrival times, reflected impulses, and Mach stem formation. The procedure covers spherical, cylindrical, and hemispherical explosions, showing discrepancies below 10% for reflected pressures and 5% for arrival times in far-field domains. A particular emphasis is placed on industrial applications, such as predicting overpressures on tank walls, where the methodology reliably reproduces complex wave interactions observed in experiments. This work offers a robust and accessible opensource computational tool for the analysis and design of protective rigid solid surfaces in high-risk environments.

El diseño aeronáutico enfrenta incertidumbres y contradicciones derivadas de restricciones técnicas y no técnicas. Su proceso requiere una integración iterativa de análisis, evaluación y síntesis, con numerosas instancias de decisión sobre componentes como alas, fuselaje o sistemas. Esta organización suele seguir metodologías de ingeniería de sistemas y normas de calidad como AS9100 y NADCAP. Este trabajo aplica dicha metodología al diseño de una aeronave no tripulada para el despacho de cargas pequeñas y frágiles, dentro de un ámbito universitario. Abarca las etapas de diseño conceptual, preliminar y detallado, detallando la planificación, estructura de trabajo, herramientas empleadas y soluciones a los problemas de ingeniería encontrados durante el proyecto.

Las fallas en tanques atmosféricos son un problema crítico en la industria petrolera, frecuentemente causadas por sobrepresiones debido a su vulnerabilidad estructural. Aunque raramente provocan lesiones, generan importantes pérdidas materiales e interrupciones operativas. Este trabajo analiza la interacción entre ondas de explosión y tanques, enfocándose en el efecto de la altura de detonación. Mediante simulaciones con rhoCentralFoam en OpenFOAM, se modelaron explosiones esféricas a diferentes alturas (distancia horizontal constante), considerando la energía liberada como puntual/lineal e instantánea. Se omitieron reacciones químicas para eficiencia computacional, usando aire como único fluido. Los resultados muestran que explosiones elevadas producen dinámicas complejas (ej. formación de pierna de Mach) y sobrepresiones localizadas, revelando limitaciones en los métodos de diseño actuales. El estudio provee bases para mejorar normas de seguridad y estrategias de refuerzo estructural, ofreciendo una metodología innovadora para analizar interacciones explosión-estructura en la industria.

Este trabajo valida el uso del esquema numérico Kurganov-Noelle-Petrova (KNP) en el solver rhoCentralFoam de OpenFOAM para simular ondas de explosión y su interacción con tanques de almacenamiento. El modelo emplea una aproximación simplificada de liberación instantánea de energía en geometrías esféricas o cilíndricas, prescindiendo de reacciones químicas y considerando solo aire. Esta simplificación ofrece grandes ventajas computacionales, reduciendo la complejidad numérica mientras mantiene la precisión en los parámetros clave de la onda de choque. La validación se realizó comparando los resultados con soluciones analíticas (teoría de Sedov), directrices empíricas y datos experimentales. Los resultados demuestran que el esquema captura con alta precisión las sobrepresiones (error < 10%), los tiempos de llegada (error < 5%) y fenómenos complejos como las reflexiones de Mach. El estudio confirma que el método KNP es una herramienta robusta y fiable para el análisis de riesgos y evaluaciones de seguridad en instalaciones industriales, destacando la crucial importancia de considerar los efectos tridimensionales para mejorar los estándares de protección.

Este es un estudio numérico sobre la trayectoria del punto triple que se produce como resultado de la interacción de una onda de choque con velocidad variable sobre una superficie recta, lo que genera un proceso de reflexión inestacionario. La onda de choque cilíndrica se produce a partir de una súbita liberación de energía. Se comparan los resultados numéricos con resultados teóricos pseudoestacionarios y datos experimentales. Las simulaciones se desarrollan utilizando el esquema de Kurganov, Noelle y Petrova (KNP), mediante el Solver rhoCentralFoam del software OpenFOAM. Se observa una correlación apropiada de los resultados obtenidos con la simulación, alcanzándose una correcta descripción de la evolución del proceso y observándose diferencias en la trayectoria cuando x>3,5 m.

This work studies the impact of a shock wave traveling with non-constant velocity over straight surfaces, generating an unsteady and complex reflection process. Two types of shock waves generated by sudden energy released are studied: cylindrical and spherical. Several numerical tests were developed considering different distances between the shock wave origin and the reflecting surface. The Kurganov, Noelle, and Petrova (KNP) scheme implemented in the rhoCentralFoam solver of the OpenFOAM^TM software is used to reproduce the different shock wave reflections and their transitions. The numerical simulations of the reflected angle, Mach number of the shock wave, and position of the triple point are compared with pseudo-steady theory numerical and experimental studies. The numerical results show good accuracy for the reflected angle and minor differences for the Mach number. However, the triple point position is more difficult to predict. The KNP scheme in the form used in this work demonstrates the ability to capture the phenomena involved in the unsteady reflections.