Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniería Civil Mecánica / Este trabajo tiene por objetivo el estudio experimental del comportamiento de una llama de difusión bajo la acción de cortinas de aire del tipo doble jet doble flujo (DJ DF), y así determinar la efectividad de estas cortinas como sistema de protección contra incendios. Las mediciones se llevaron a cabo en un modelo de un túnel vial de escala 1:34, el cual cuenta con un quemador de difusión como fuente térmica para simular un incendio dentro de éste. El quemador consta con un circuito de gas, el cual provee el combustible, en este caso etileno, además de poseer un circuito de enfriamiento y un sistema de ignición remota. Por otro lado las variables relevantes a medir en el estudio fueron la altura de llama, medida a través de una cámara CCD, y la radiación emitida, medida a través de un radiómetro. El estudio fue llevado a cabo primero midiendo la radiación incidente sobre el radiómetro, dada un combinación de caudal de gas (tasa de liberación de calor), con velocidades en las cortinas, dando origen a 20 mediciones en total, cada una con 10 puntos de medición. Posteriormente se medió mediante la cámara CCD la altura de la llama para cada una de estas 20 mediciones, obteniendo así por un lado curvas de radiación en función de la distancia para distintas velocidades de las cortinas, desde donde se puede obtener un gráfico de la radiación promedio por medición en función de las velocidades promedio de las cortinas, y por otro lado se tiene una curva de la altura de llama en función de las velocidades promedio de las cortinas. En forma paralela, se realizan mediciones de la altura de la llama en función de la tasa adimensionalizada de calor, para tres casos: el primero sin la presencia de cortinas, mientras que los otros dos con la presencia de dos configuraciones distintas. Los resultados obtenidos permiten concluir que efectivamente las cortinas pueden utilizarse como sistema de protección contra incendios, al crear una barrera que efectivamente reduce la eficacia de la combustión, esto se puede apreciar tanto en la reducción de la radiación emitida, como en la reducción de la altura de la llama. También los resultados obtenidos para la altura de llama en función de la tasa de liberación de calor sugieren el mismo resultado, más aún, en los tres se sugiere que en la medida que se incrementa la velocidad de las cortinas, el confinamiento aumenta. Finalmente se dejan propuestos trabajos futuros, tales como variar el tipo de combustible, variación de las relaciones entre los jets frío y caliente, entre otros.

The main motivation of this thesis is the analysis of turbulent flows. Turbulence plays an important role in engineering applications due to the fact that most flows in industrial equipment and surroundings are in turbulent regime. The thesis has a double purpose and is divided in two main parts. The first one is focussed on the basic and fundamental analysis of turbulence models. In the second part the know-how acquired in the first part is applied to the study of air curtains.Regarding to the first part, the principal difficulty of computing and modelling turbulent flows resides in the dominance of non-linear effects and the continuous and wide spectrum of time and length scales. Therefore, the use of turbulence modelling employing statistical techniques for high Reynolds numbers or complex geometries is still necessary. In general, this modelization is based on time averaging of the Navier-Stokes equations (this approach is known as Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulations, RANS). As consequence of the average new unknowns, so-called Reynolds stresses, arise. Different approaches to evaluate them are: i) Differentially Reynolds Stress Models (DRSM), ii) Explicit Algebraic Reynolds Stress Models (EARSM), and iii) Eddy Viscosity Models (EVM).Although EVM models assuming a linear relation between the turbulent stresses and the mean rate of strain tensor are extensively used, they present various limitations. In the last few years, with the even-increasing computational capacity, new proposals to overcome many of these deficiencies have started to find their way. Thus, algebraic or non-linear relations are used to determinate the Reynolds stress tensor without introducing any additional differential equation.Therefore, the first part of this thesis is devoted to the study of several EARSM and EVM models involving linear and higher order terms in the constitutive relation to evaluate turbulent stresses. Accuracy and numerical performance of these models is tested in different flow configurations such as plane channel, backward facing step, and both plane and round impinging jets. Special attention is paid to the verification of the code and numerical solutions, and the validation of the mathematical models used. In the impinging plane configuration, improvements of models using higher order terms in the constitutive relation are limited. Whereas, in the rest of studied cases these non-linear models show a reasonably good behaviour.Moreover, taken into account models convergence, robustness and predictive realism observed in the analysis of these benchmark flows, some of them are selected for the study of air curtains and their interaction with the environment where they are placed. Air curtains are generally one or a set of vertical or horizontal plane jets used as ambient separator of adjacent areas presenting different conditions. The jet acts as a screen against energy losses/gains, moisture or mass exchanges between the areas.As was indicated before, the main purpose of the second part of this thesis is to characterize in detail actual air curtains using both experimental and different numerical approaches. Semi-empirical models to design air curtains are presented. Then, an experimental set-up used to study air curtain discharge and jet downstream is explained. Experimental measurements of velocity and temperature are shown. As a result of the experiments carried out, an improved air curtain with a new design of the discharge nozzle is obtained. Furthermore, air curtain experiments are numerically reproduced and predictions validated against the experimental data acquired. Good agreement between numerical and experimental results is observed.Finally, systematic parametric studies of air curtains in heating and refrigeration applications are done. Global energetic balances are specially considered together with global parameters selected in order to evaluate air curtain performance. It is found that discharge velocity, discharge angle and turbulence intensity of the jet are the most sensitive parameters. Inadequate values for these variables can produce undesirable effects and contribute to increase energy gains/losses.

El presente trabajo consiste en el estudio, por medio de simulación numérica usando el código FDS (Fire Dynamics Simulator), del fenómeno de difusión y convección desde una fuente de calor al interior de un túnel vial, provisto de un sistema de confinamiento celular con cortinas de aire doble jet - doble flujo. El trabajo se enmarca en el proyecto FONDECYT Nº1085015, que apunta a la caracterización experimental y numérica de los fenómenos de transporte de calor, de momentum y de masa, a través de un dispositivo de cortinas de aire doble jet – doble flujo. Este estudio se motivó por la importancia de definir las condiciones óptimas de operación de este tipo de sistemas de confinamiento; por el creciente uso de programas de cálculo numérico; y por el creciente interés en el desarrollo de sistemas de ventilación y confinamiento de gases de combustión al interior de túneles viales. Las simulaciones numéricas se llevaron a cabo utilizando el código FDS, con el fin de familiarizarse con el uso del código en esta situación. Este software implementa el modelo de turbulencia LES (Large Eddy Simulation), que calcula directamente las vorticidades de gran escala, que tienen mayor influencia en el transporte de energía y de masa, y las de menor escala son filtradas, modelándose su efecto disipativo. Se simularon dos casos, los cuales se definieron de manera de hacerlos comparables con resultados experimentales disponibles. Los resultados muestran que FDS predice un comportamiento de la doble cortina de aire similar al observado experimentalmente, tanto para los perfiles de velocidad como para los gradientes de temperatura. Además se evidencia la naturaleza plana de las cortinas de aire, al compararse los perfiles en distintas secciones del túnel. También muestran que el incluir los ductos de ventilación en el modelo a simular no tiene gran impacto sobre la dinámica de las cortinas de aire en el túnel. Se concluye que FDS predice de buena manera la capacidad confinatoria de las cortinas de aire confirmándose esto por resultados experimentales disponibles. Las cortinas de aires son capaces de confinar en la medida que ambos jets de cada cortina no se hayan fusionado en uno solo. Una vez que se fusionan en un jet único, el gradiente de temperatura disminuye notablemente. Sin embargo, la diferencia entre los resultados numéricos con experimentales indica la importancia de definir correctamente las condiciones de borde.

No autorizado por el autor para ser publicada a texto completo / El objetivo principal de este trabajo es estudiar los mecanismos de transporte turbulento de calor y masa en una cortina de aire, a fin de proveer antecedentes para la evaluación de cortinas de aire como objetos físicos capaces de confinar calor y/o masa en ambientes cerrados con geometrías tipo corredor, como túneles. El trabajo se enmarca en el proyecto FONDECYT Nº1085015, que apunta a la caracterización experimental y numérica de los fenómenos de transporte, a través de un dispositivo de cortinas de aire doble jet-doble flujo. El estudio se llevó a cabo en un túnel de laboratorio a escala 1:34, dotado de dos dispositivos generadores de cortinas de aire en configuración doble jet-doble flujo, y de un foco de calor constituido por una resistencia eléctrica. La función deseada de las cortinas es evitar la propagación de calor y momentum hacia zonas alejadas de la resistencia. Para analizar los mecanismos de transporte, se midieron los campos de temperatura y velocidad en dos dimensiones, en una de las cortinas de aire y su entorno inmediato. Los datos registrados se utilizaron para determinar términos asociados al transporte turbulento de calor y masa, puesto que las cortinas de aire se caracterizan por tener un régimen fluidodinámico turbulento. Las mediciones de temperatura y velocidad se llevaron a cabo con una termocupla fina de rápido tiempo de respuesta y un sistema de Anemometría Láser Doppler (LDA-2D), respectivamente. Se obtuvieron y analizaron resultados para cuatro casos, con diferentes potencias en la fuente de calor y diferentes velocidades en la salida de los jets. En cada caso, se analizó el comportamiento de los términos asociados al transporte turbulento de calor y momentum en la zona de la cortina y su entorno inmediato. Adicionalmente se estudió el efecto de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina, mediante el cálculo del número de Richardson y el análisis espectral de las señales de velocidad en ciertos puntos en las capas de mezcla de la cortina. Se concluye que existen zonas críticas de transporte turbulento de calor y momentum que es necesario contemplar en la evaluación de las cortinas de aire como dispositivo confinatorio. Para una mejor comprensión del fenómeno, sin embargo, es necesario realizar mediciones en un dominio más fino que el utilizado en este trabajo en el eje longitudinal; en particular, debe analizarse en mayor detalle la zona de impacto de la cortina con el suelo. Se observa, para la mayoría de los casos, un régimen de convección mixta en ciertos sectores de la cortina, verificándose la influencia térmica de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina; este hecho releva la importancia de estudiar configuraciones con potencias más altas que las utilizadas en este trabajo para la fuente de calor.

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Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo corresponde al estudio numérico de cortinas de aire Doble Jet-Doble Flujo (DJ-DF) como dispositivo de confinamiento de calor al interior de túneles, el cual se enmarca en el proyecto FONDECYT N°1085015. La modelación se realizó en base a una instalación experimental que representa un túnel vial a escala, el cual contiene dos cortinas DJ-DF y una fuente térmica entre éstas. Las simulaciones se realizaron en el software FLUENT implementando el modelo turbulento LES, utilizando cálculo en paralelo en 32 núcleos. Se llevaron a cabo simulaciones para 4 casos, los cuales se definieron en base a los experimentos realizados por Schneider [1], que corresponden a variaciones de velocidad de los jets que componen la cortina DJ-DF y variaciones de la potencia de la fuente térmica. Para la cortina más cercana a la fuente térmica se compararon los perfiles numéricos y experimentales de velocidad y temperatura, para distintos niveles horizontales, observándose resultados satisfactorios en cuanto a magnitud y forma. Mediante el estudio de cantidades turbulentas asociadas a velocidad y temperatura se logró observar un traspaso axial y transversal de calor y masa a través de mecanismos turbulentos, tanto entre el entorno y la cortina, como entre los mismos jets que la componen. El mayor traspaso turbulento de calor y masa se observó en los sectores medios de la cortina. En la zona de impacto se observó principalmente advección de temperatura desde el lado confinado hacia el protegido debido al impacto, inclinación de la cortina y generación de jets de pared. Además se identificaron estructuras turbulentas en capas de mezcla, las cuales están relacionadas directamente con la magnitud de la velocidad y contribuyen con el transporte de calor y masa. Mediante el análisis del espectro de frecuencias de la velocidad axial de la cortina fue posible observar frecuencias predominantes, además de observar pendientes de -5/3 y -3 asociadas a la presencia de estructuras en el subrango inercial y a la influencia de la fuente térmica en las estructuras del flujo, respectivamente. También se determinaron distribuciones espaciales de los momentos de tercer y cuarto orden, observando sectores con valores cercanos a -0,45 asociados a zonas de alto cizalle necesario para estirar y dividir vórtices; y sectores con valores cercanos a 3 asociados a zonas de turbulencia homogénea, concordante con la presencia de la pendiente -5/3 del análisis espectral. En base a los resultados obtenidos se concluye que la configuración DJ-DF con el jet rápido en el lado protegido entrega el confinamiento más efectivo dentro de las alternativas estudiadas, sin embargo, se recomienda continuar el estudio incorporando combustión al interior del túnel, para así determinar la concentración de humo o algún producto de combustión, como característica que indique la efectividad del confinamiento.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo trata de un estudio numérico mediante el código Fire Dynamics Simulator (FDS) de las cortinas de aire Doble Jet-Doble Flujo y su eficiencia como dispositivos de confinamiento de calor producido por incendios al interior en túneles viales, enmarcándose en el proyecto FONDECYT Nº 1085015. Se modelo la instalación experimental del Laboratorio de Estudios en Fluidodinámica, asociado al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile que corresponde a un túnel a escala que contiene una fuente térmica y dos cortinas Doble Jet-Doble Flujo que buscan confinar calor. Las simulaciones numéricas se realizaron mediante el código FDS en el Clúster Levque del Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile (CMM). Se consideró la condición de paredes no adiabáticas del túnel y un mayor número de puntos de medición que estudios anteriores. El tratamiento de la turbulencia se realizó mediante el modelo Large Eddy Simulation (LES). Con el fin de validar el modelo, en una primera etapa se simularon dos casos en base a estudios paralelos, uno experimental realizado por Schneider J. y otro numérico con FLUENT realizado por Castro J. En una segunda etapa se simularon ocho casos de velocidad baja, identificando el número de Reynolds límite del Doble Jet-Doble Flujo para que la cortina no se despegue de la superficie y cumpla su rol confinatorio. De acuerdo es esto, para cuatro de los ocho casos, se analizó la similitud correspondiente a los perfiles de velocidad y temperatura, y se construyeron distintas curvas asociadas al transporte turbulento de cantidad de movimiento y de calor. Además de identificar las estructuras rotacionales asociadas al transporte turbulento, como lo son los vórtices de Kelvin-Helmholtz y los de Görtler. Con esto se pudo corroborar la efectividad de las cortinas Doble Jet - Doble Flujo como sistema de confinamiento, concluyendo que para velocidades bajas en los jets de la cortina, la configuración más eficiente en cuanto a confinamiento es la correspondiente al jet de recirculación más rápido.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El presente trabajo tiene por objeto caracterizar la energía liberada por una llama de difusión dentro de un túnel modelo. El trabajo se enmarca dentro del proyecto FONDECYT 1085015, que apunta a determinar la efectividad de cortinas de aire doble jet - doble flujo (DJ-DF) operando como un sistema de protección contra incendios en túneles. El estudio se llevó a cabo en una instalación experimental que representa un túnel vial a escala 1:34, al interior del cual se genera una celda de confinamiento mediante dos cortinas DJ-DF. Con el fin de representar la potencia liberada y la dinámica de un incendio se procedió a diseñar, construir y montar un quemador estándar de llama de difusión, equipado con un sistema de refrigeración, un circuito de alimentación de combustible y un mecanismo de encendido remoto. El comportamiento de la llama se caracterizó de la siguiente manera. En primer lugar, se efectó una simulación numérica con el programa Fire Dynamics Simulator (FDS) para predecir la radiación incidente a lo largo de un tramo del túnel. Luego se midió experimentalmente la radiación en dichos puntos bajo las mismas condiciones del modelo. Al contrastar estos resultados se valida el modelo de radiación y combustión empleado por FDS, por cuanto se logra predecir efectivamente los datos experimentales. Sin embargo, una desviación en la estimación numérica de la producción de hollín se traduce en una leve discordancia de la predicción computacional. El confinamiento del calor generado por la llama se abordó como sigue. Se obtuvo experimentalmente la altura de la llama para diversas tasas de liberación de calor en el marco de dos escenarios, uno en que la llama se desarrolla sin perturbaciones, y otro en que la llama se encuentra dentro de la celda de confinamiento. En el primer caso los resultados experimentales se ajustan a las correlaciones publicadas al respecto, dando cuenta que la metodología empleada es adecuada y certera, aunque pierde validez para bajas liberaciones de calor y cuando la llama toca el techo propagándose por éste. Luego, al comparar ambos escenarios se observa una disminución en la altura de la llama para altas liberaciones de energía, y la situación contraria para bajas liberaciones de energía. Así se concluye que la configuración DJ-DF cumple su objetivo para llamas cuya altura comparte el mismo orden de magnitud que la altura del túnel. Para llamas más débiles, las cortinas tienden a favorecer su desarrollo, aunque esta conclusión está sujeta a reducir la incertidumbre en la medición de la altura de llama.

El presente documento, se enmarca en el proyecto FONDECYT No1085015 y corresponde a un estudio numérico que propone a las cortinas de aire de Doble Jet-Doble Flujo (DJ-DF) planas y verticales, como elementos que provoquen el confinamiento celular de la mayor parte del calor producido por una fuente calórica al interior de un túnel. La modelación se realizó en base a la instalación experimental completa del Laboratorio de Estudios en Fluidodinámica (LEF), del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, que contiene una fuente térmica localizada de calor y dos cortinas de DJ-DF entre las cuales se busca confinar el calor. Las simulaciones numéricas fueron realizadas en base a un modelo computacional de fluidodinámica (CFD) en código Fire Dynamics Simulator (FDS), con tratamiento de la turbulencia mediante Large Eddy Simulation (LES), en el Centro de Modelación Matemática (CMM) de la Universidad de Chile, específicamente en el Cluster Levque, el cual permitió que dichas simulaciones se llevaran a cabo en procesadores múltiples. Con la finalidad de validar el modelo numérico, los casos simulados se definieron en base a los estudiados experimentalmente por Cecchi [7], variando la velocidad de cada uno de los jets que componen el DJ-DF y la potencia de la fuente calórica; más aún se compararon los perfiles obtenidos experimentalmente y numéricamente, de velocidad y temperatura en torno al DJ-DF más cercano a la fuente térmica (en distintos niveles horizontales), obteniendo resultados satisfactorios en términos de orden de magnitud y forma de los perfiles para dos de los tres casos de estudio. En relación a las características confinatorias del DJ-DF, se construyeron en torno al mismo: los campos de velocidad y temperatura, además de los perfiles de intensidad de turbulencia térmica y de transporte turbulento de cantidad de movimiento y calor. Para los tres casos de estudio se concluye que el confinamiento es efectivo exceptuando la zona de impacto, en donde se identificaron fugas de calor y masa mediante mecanismos turbulentos. También se estudié la formación de estructuras rotacionales en las capas de mezcla del lado frío y caliente y su relación (o implicancia) en la capacidad confinatoria del DJ-DF. En base a lo anterior, se concluye que el confinamiento de calor de la cortina es más efectivo en el caso de la configuración DJ-DF con el jet rápido correspondiente al lado frío o de aire fresco. Para un trabajo futuro, se sugiere continuar con el estudio del fenómeno incluyendo la combustión real, para así determinar la concentración de humo o productos de la combustión, como otra característica indicativa del confinamiento de calor por parte de la cortina.

El presente trabajo consiste en el estudio numérico del confinamiento de un campo de alta temperatura, producido por una fuente de calor intenso, por medio de cortinas de aire tipo doble jet-doble flujo (DJ-DF), emulando las condiciones de operación de la instalación experimental construida en el marco del proyecto Fondecyt 1040498. Para este efecto se utilizó el modelo de turbulencia Reynolds Stress Model (RSM). El diseño de un dispositivo de confinamiento de escalares activos mediante cortinas de aire y la simulación numérica de sus condiciones de operación con modelos turbulentos de orden superior han motivado este estudio, cuyo objetivo ulterior es proponer soluciones para la seguridad en túneles viales. La eficacia de confinamiento por barreras gaseosas abre las puertas para diseñar su aplicación tecnológica en el campo de la seguridad dentro de túneles viales, en los cuales se busca controlar el transporte de calor y los gases tóxicos producidos en caso de incendio. La atención del estudió se centró tanto en las cortinas como en el comportamiento global del dispositivo. Simulaciones isotérmicas y no-isotérmicas fueron realizadas. Se efectuó una comparación del modelo RSM con los modelos k- standard y V2F. Se realizaron simulaciones no-isotérmicas considerando diferentes condiciones de operación del dispositivo, variando los parámetros relevantes que gobiernan los fenómenos estudiados (número de Reynolds, potencia térmica). Estas comparaciones fueron complementadas con mediciones de temperatura obtenidas de la instalación experimental. Por último, se varió el dominio de cálculo de las simulaciones: se realizó una simulación tridimensional del dispositivo y se realizó una simulación bidimensional, pero disminuyendo el largo de los circuitos de recirculación. Las simulaciones permitieron caracterizar las distintas zonas de las cortinas DJ-DF. En las zonas cerca de las boquillas de salida las cortinas se comportan como doble jet, pero aguas abajo se comportan como un jet plano simple. Los términos de transferencia de calor turbulento permitieron identificar las zonas de inhibición y transferencia de calor por estos mecanismos. Se observó que las capas de mezcla y la zona de impacto favorecen de manera importante el transporte de calor turbulento. Al aumentar el número de Reynolds de las cortinas se obtuvo una disminución de la actividad turbulenta en el eje de la cortina favoreciendo así el confinamiento. Se concluye que el modelo RSM se adapta mejor que los modelos citados, justificando el aumento de los recursos computacionales por la calidad de los resultados. Las simulaciones 3D indican cambios poco significativos en el comportamiento de las cortinas con respecto a los 2D, sin embargo, se predicen temperaturas mayores en la zona confinada debido a efectos radiativos en las paredes laterales. Las cortinas son en esencia bidimensionales y los efectos 3D se limitan a la zona próxima al penacho generado por la fuente térmica. La disminución de la longitud de los circuitos de recirculación del dispositivo no afecta la habilidad de confinamiento de las cortinas, pero produce un aumento global de la temperatura en la zona confinada. Dada la dispersión de los resultados al comparar el campo térmico experimental, etapas futuras de investigación numérica deben considerar las pérdidas de calor por las paredes (no adiabaticidad). Además, si se desea simular condiciones reales de incendio dentro del dispositivo, el modelo de radiación ocupado debe considerar el efecto radiativo que produce el humo dentro del túnel, que debería afectar la temperatura y dinámica de los flujos.