Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Muestra los cálculos realizados con el fin de realizar el correcto diseño hidráulico de la tubería de presión de la Central Hidroeléctrica La Koya, que operará con un caudal de diseño de 3.5 m 3 /s, con una caída bruta de 272.21m. y con una potencia instalada total de 7,662 KW. Como parte de los estudios básicos, se realizaron los levantamientos topográficos, el estudio hidrológico en los puntos de captación; y el estudio geológico-geotécnico del área del proyecto. El cálculo de la tubería se ha realizado según el código ASME sección VIII, divisiones 1 y 2; y en base a acero ASTM A-36, sin embargo, se recomienda que de acuerdo a las normas existentes, se deba hacer el replanteo en obra revisando el diseño y la topografía del terreno. / Trabajo de suficiencia profesional

En el presente trabajo se realiza un análisis fluido dinámico y energético de la micro – turbina de gas J66 – 8, para determinar velocidades, presiones y variación de densidades, así como también la evolución de la temperatura y entalpía del aire en cada etapa de la micro – turbina, pero cambiando el combustible tradicional con el que funciona, Jet A1, el cual es un hidrocarburo, un combustible hecho a base de carbono; por un combustible de cero emisiones de carbono en su combustión y con un mayor poder calorífico que cualquier otro, el hidrógeno. Se explica también que, para generar el mismo empuje en el micro – turbina, generado con el Jet A1, se necesita menos cantidad de hidrógeno, y además no hay necesidad de cambiar el material original de los componentes, ya que estos soportan la temperatura que se alcanza en la combustión de hidrógeno.

Identifica las áreas susceptibles a ser afectadas ante la ocurrencia de flujos aluvionales extremos mediante resultados de la simulación de este tipo de eventos en el centro poblado de Quincemil. También analiza la dinámica de los flujos aluvionales a partir de un modelamiento hidráulico computacional utilizando el programa FLO-2D. / Tesis

El correcto modelamiento de flujos turbulentos representa un reto en la ingeniería hasta el día de hoy. El modelamiento de la combustión turbulenta resulta aún más complejo, debido a la interacción entre la cinética química y la turbulencia. El entendimiento del proceso de combustión turbulenta es clave en el desarrollo de quemadores, ya que deben ser diseñados para brindar una llama estable. Un mecanismo de estabilización ampliamente empleado es el de la llama recirculante. El propósito del presente trabajo es caracterizar numéricamente el flujo turbulento inerte presente en la estela cercana en un quemador tipo bluff-body utilizando herramientas CFD de fuente abierta. Los resultados numéricos son comparados y validados con mediciones experimentales realizadas en la PUC-Rio. Cuatro abordajes numéricos son estudiados: (i) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), (ii) Large Eddy Simulation (LES), (iii) Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES). El primero consiste en resolver valores promedios de las cantidades físicas y modelar las varianzas. El segundo consiste en filtrar espacialmente y resolver directamente los vórtices turbulentos grandes, mientras que se modelan los más pequeños. El tercero y el cuarto están basados en una técnica híbrida entre RANS y LES. Para producir los resultados numéricos LES, DDES e IDDES se realizan promedios tanto temporales como espaciales en la dirección azimutal para reducir el costo computacional de las simulaciones, aprovechando la simetría del flujo alrededor del eje. Luego, la sensibilidad a la malla es evaluada utilizando el método de autocorrelaciones espaciales, nuevamente aplicando un promedio azimutal. Estos promedios implican una transformación de coordenadas de cartesianas a cilíndricas. Finalmente, los resultados finales muestran que la técnica más apta para este caso es el LES, seguido por las técnicas híbridas. Si bien el abordaje RANS muestra un acercamiento cualitativo a los campos de velocidad experimental, este se aleja en la estructura turbulenta del flujo, siendo el que más diverge de los resultados experimentales.

En el presente documento de tesis se evalúa el desempeño de un impulsor hydrofoil y versiones mejoradas para operar en un tanque agitador con una pulpa formada por agua y sulfato de cobre, mediante la dinámica de fluidos computacional. En primer lugar, el impulsor original es un impulsor hydrofoil que cuenta con una sección rectangular en sus álabes y ángulo de paso constante en toda la longitud de sus 3 álabes. En segundo lugar, las propuestas de mejora se caracterizan principalmente en que sus álabes cuentan con una sección de perfil aerodinámico NACA 4412 y torsión e inclinación en toda su longitud. Para la evaluación de los impulsores se empleó la dinámica de fluidos computacional mediante el software Ansys Fluent e indicadores de desempeño como torque requerido, flujo másico axial generado, número de potencia, patrón de flujo, entre otros. En cuanto a las condiciones de trabajo, la primera implica el estudio de los impulsores en una mezcla homogénea en régimen estacionario. Mientras en la segunda se evalúan bajo la condición inicial donde la fase líquida del agua y la fase sólida se encuentran separadas aproximando la aplicación de sólidos en suspensión en régimen transitorio. A partir de ello se selecciona la propuesta de mejora con mejor desempeño en operación en mezcla homogénea y finalmente esta es comparada con el impulsor original con el fin de determinar qué modelo logra un estado de suspensión completa bajo el mismo consumo de potencia. Finalmente, luego de analizar al impulsor original, se obtiene como principal resultado la formación de vórtices debajo del cubo y álabes, ello tiene como consecuencia una baja generación de flujo másico axial y se observa que el patrón de flujo obtenido no es completamente axial. Por otro lado, como resultados de la evaluación de los impulsores mejorados propuestos (G1, G3 y G6), se obtiene una notable reducción en la formación de vórtices debajo del impulsor, un incremento en el flujo másico generado y una mejora en el patrón de flujo axial durante la operación. En cuanto a la evaluación en suspensión de sólidos, se obtiene que con la propuesta de mejora G6 se logra un nivel de suspensión de partículas con una mejor distribución en el tanque en menor tiempo de operación bajo el mismo consumo de potencia.

Las reacciones químicas que ocurren en procesos de pirólisis y combustión de hidrocarburos originan la formación de material particulado, comúnmente conocido como hollín. El estudio de las especies químicas críticas que controlan la formación de hollín, así como de los principios físicos y químicos asociados, es de gran importancia para disminuir los impactos negativos de este contaminante en la salud y en el medio ambiente, y para la mejora de la eficiencia de los sistemas de combustión. En ese sentido, el objetivo principal de este trabajo es el estudio de las especies químicas precursoras que controlan la formación de hollín. Para ello, por medio de modelamiento numérico basado en dinámica de fluidos computacional (CFD), una llama laminar difusiva de etileno/aire en coflujo, que tiene como característica principal la producción de cantidades relativamente grandes de hollín, es evaluada. Más específicamente, diferentes modelos de formación de hollín en llamas laminares difusivas son implementados, y luego los resultados obtenidos con estos modelos son comparados entre sí y con datos experimentales. En particular, diferentes mecanismos de cinética química son comparados en base a las concentraciones de las principales especies químicas que intervienen en la formación de hollín. Además, los modelos de formación de hollín son evaluados considerando un caso de estudio estudiado experimentalmente en el pasado, el cual cuenta con mediciones de temperatura y fracción volumétrica de hollín. Adicionalmente, a fin de observar los efectos sobre la formación de hollín, un análisis de sensibilidad de los parámetros empíricos empleados en uno de los modelos de hollín estudiados es también realizado. Los resultados obtenidos enfatizan que aún queda un largo camino por recorrer antes de tener un modelo de hollín capaz de describir adecuadamente la formación de este contaminante crítico en situaciones de interés practico.

En el Perú, la minería es una actividad extractiva que permite mantener la estabilidad económica del país. En la actualidad, aproximadamente, un tercio del consumo eléctrico nacional proviene del sector minero, el cual es mayoritariamente utilizado para el transporte y molienda de pulpas minerales en plantas concentradoras de mineral. Por lo tanto, la minería como actividad económica demanda una gran cantidad de recursos energéticos, cuya generación origina impactos negativos en la salud y el medio ambiente. Así, la determinación de condiciones operativas de plantas de concentración que permitan reducir el consumo de energía asociado es de particular interés para la industria. En la práctica, el transporte y molienda de pulpas minerales involucra flujos turbulentos de fluidos no-Newtonianos. Por lo tanto, simulaciones numéricas de estos flujos complejos deben ser capaces de describir adecuadamente el fenómeno de la turbulencia. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar modelos de turbulencia tipo LES (simulación de grandes escalas) para estos flujos complejos, considerando el comportamiento reológico de las pulpas minerales. En consecuencia, a fin de describir adecuadamente el modelamiento numérico de estos flujos de interés vía LES, trabajos anteriores involucrando flujos de fluidos no- Newtonianos son inicialmente revisados. Luego, los modelos de turbulencia LES son implementados en una herramienta computacional (CFLOWSS) actualmente en desarrollo. Con los modelos implementados, resultados de flujos turbulentos Newtonianos obtenidos en una configuración clásica de placas planas son primero comparados con otros disponibles en la literatura. Finalmente, para evaluar el efecto de la reología sobre las características turbulentas del flujo, flujos turbulentos no-Newtonianos como aquellos caracterizando el transporte de pulpas minerales son numéricamente simulados.

El análisis de flexibilidad es una de las disciplinas del diseño de sistemas de tuberías, se realiza en la etapa final de diseño y comprende principios de concentración de esfuerzos, expansiones térmicas y deformaciones elásticas. Este análisis es crítico en aplicaciones donde el fluido a transportar trabaja a condiciones extremas, como plantas térmicas y generadoras de energía, donde el sistema está sometido a altos gradientes de temperatura que conllevan a la generación de tensiones debido a expansiones o contracciones térmicas. El análisis teórico es de carácter limitativo debido el comportamiento aleatorio del sistema frente a ciertas condiciones de trabajo Por esta razón, los diseñadores optan por la utilización de softwares de análisis como CAEPIPE, CEASAR II, ANSYS, entre otros. Estas herramientas ofrecen resultados confiables; sin embargo, son vistos como “cajas negras”, donde el usuario manipula las variables de entrada. La teoría detrás de estas herramientas de cálculo, muchas veces, son ignoradas por los usuarios. Este trabajo apunta a desarrollar los principios teóricos utilizados para realizar este tipo de análisis, ofrecer herramientas de cálculo sencillas para analistas e investigadores independientes sin acceso a softwares de diseño y mostrar elementos de alivio de tensiones ofrecidos en el mercado actual. La estructura de la trabajo consiste en cuatro capítulos, donde se desarrollarán los principios teóricos básicos de la generación de esfuerzos; el desarrollo de la metodología de diseño de los códigos según ASME; tipos, principios de funcionamiento y criterios de selección de soluciones constructivas para aliviar las tensiones generadas; y, finalmente, el desarrollo de un ejemplo de cálculo que ponga en práctica los conceptos vertidos en los capítulos anteriores, así como, la presentación de casos comunes que complementen las nociones básicas para brindar flexibilidad a sistemas de tuberías.

El propósito de este trabajo fue diseñar y fabricar un sistema prototipo de medición que adquiera, de manera experimental, la magnitud de la fuerza necesaria para remover fluidos viscosos adheridos a una superficie plana. Para esto, se estableció el comportamiento de un fluido en función de su viscosidad y la variación de ésta con respecto a la temperatura y presión. Además, se definieron los distintos tipos de fluidos no newtonianos, centrándose en los fluidos viscosos alimenticios, puesto que sus requerimientos por lo general, en cuanto a calidad, son más rigurosos en comparación de otros fluidos usados en la industria. También, se presentó el estado de la tecnología para equipos de enfriamiento de fluidos viscosos y equipos de medición de viscosidad. Luego, se propuso un modelo físico para la remoción de un fluido adherido a una superficie plana y se diseñó, bajo la norma VDI 2221, el sistema prototipo de medición. Después de lo mencionado, se verificó las características mecánicas principales del equipo del sistema prototipo fabricado, puesto que pueden o no cumplir las condiciones de diseño requeridas. Se denominó equipo del sistema prototipo de medición al dispositivo mecánico diseñado montado sin los sensores de medición (sensor de fuerza y sensor de movimiento) y sistema prototipo de medición al equipo acoplado con los sensores de medición mencionados. Habiendo verificado las características mecánicas del sistema prototipo de medición fue posible calcular su incertidumbre mediante ensayos experimentales. Esto ayudó a conocer si los datos adquiridos para la fuerza de remoción son exactos y precisos. Finalmente, con la incertidumbre calculada se hizo pruebas con un fluido de concentración y viscosidad conocidas (fluido caracterizado), y, se evaluó y comparó tanto la exactitud como la precisión de los resultados experimentales adquiridos. / Tesis

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos.