Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias, Mención Geología / Memoria para optar al título de Geóloga / La actividad volcanica representa una gran amenaza para la propiedad privada, comunidades y habitantes ubicados en las cercanias de centros volcanicos. La volcanologia y mecanica de fluidos se utilizan en conjunto con el fin de estudiar la evolucion de los flujos de lava. Nos enfocamos en el estudio de flujos de lava simples y viscosos, de composiciones andesitica hasta riolitica, para determinar la relevancia de la evolucion reologica del flujo en tiempos de emplazamiento, distancias, y proporciones finales. Los experimentos analogos han sido una herramienta util en previos estudios de flujos de lava. Para este trabajo se caracterizo el manjar, un derivado de la leche, para utilizarlo como material analogo de lava viscosa con una reologia dependiente de la temperatura. Los experimentos simularon un flujo no confinado simple sobre una superficie inclinada, en el Laboratorio de Volcanologia Experimental del Laboratoire de Magmas et Volcans, Clermont-Ferrand, Francia. Un total de 33 experimentos de extrusiones puntuales sobre una superficie inclinada, con caudales desde 1 $ (cc/s) $ a 25 $ (cc/s) $, con inclinaciones entre 10$^\circ$ - 15$^\circ$, y diferentes temperaturas iniciales desde ambiente hasta 71\textcelsius{}. Cada experimento fue grabado con camara visual y camara termica, con los cuales se pudo obtener la evolucion termica y las distancias en el tiempo a las que avanzaba cada flujo. Se utilizo python para obtener la base de datos de temperatura, y bibliotecas especificas para manejar, procesar y visualizar datos, tales com matplotlib, scipy y pandas. Los resultados indican que la formacion de una pseudo corteza en los flujos de manjar que estan sujetos a enfriamiento, controlan las distintas dimensiones y tiempos de emplazamiento obtenidos para los flujos estudiados, mientras que los cambios de pendiente tambien juegan un rol importante en estos resultados. La existencia de esta pseudo corteza esta basada en la perdida de agua presente en el manjar, asi como tambien en la buena correlacion existente que muestra el numero de Graetz con las diferentes dimensiones obtenidas, que dependen de la tasa efusiva, la escala de tiempo de extrusion, y por ende el desarrollo de esta corteza obtenida segun estimaciones basadas en la difusividad termica del material. Mayores caudales presentan flujos mas anchos con menores espesores, mientras que menores caudales se desarrollan de manera vertical, teniendo menor expansion areal y mayores espesores. Mayores pendientes resultan en flujos que se desarrollan principalmente pendiente abajo, con distancias de $ X_{min} $ e $ Y_{max} $ menores. Por otro lado, la comparacion entre flujos sujetos a enfriamiento versus flujos en condiciones isotermales, tambien apoyan la teoria de existencia de una pseudo corteza que controla la dinamica de flujo. Los modelos DEM realizados presentan caracteristicas similares a las presentes en flujos de lava, con zonas de menor espesor cerca del punto extrusivo, seguido por un posible canal central entre estructuras tipo levee que culminan en un frente de flujo de gran espesor, presentando la mayor potencia del flujo. Este frente de flujo inflado, consideramos que es evidencia de que existe una pseudo corteza que contiene material con mayor movilidad en su interior. Los perfiles de temperatura de termocuplas y FLIR, tambien muestran como existe un perfil termal vertical en los flujos, con altas temperaturas en porciones internas luego de que todo el material ya ha sido extruido, mientras la superficie del flujo presenta menores temperaturas.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Química / CMPC / 13/12/2023

Ingeniero Civil Mecánico / En esta memoria se estudia el comportamiento fluido-dinámico del relave de cobre en diferentes geometrías de feedwells de espesadores de relave. Una de las principales razones por la cual se realiza este estudio, corresponde a la necesidad del país de recuperar el recurso hidráulico en uno de los tratamientos más utilizados como lo es el espesamiento. El principal objetivo de esta memoria consiste en encontrar la geometría del feedwell que cumple de mejor manera con los criterios de diseños buscados en estos alimentadores, siendo el criterio más buscado la distribución homogénea a la salida del feedwell. Para cumplir con este objetivo, se realiza una recopilación de antecedentes tanto del comportamiento del relave como de estudios realizados a diferentes geometrías del feedwell. Luego se generan las 8 geometrías estudiadas mediante software CAD Autodesk Inventor 2017, para luego importar cada geometría en ANSYS Fluent v17.1 y generar el mallado y condiciones de bordes adecuadas para cada geometría. Posteriormente se realizan las simulaciones en estado estacionario mediante el modelo de turbulencia k-ε estándar y así obtener los resultados para cada simulación. Por último, mediante el software MATLAB R2015a se realiza un análisis numérico de los datos obtenidos mediante la simulación, con el fin de comparar las distintas geometrías en base a los criterios de diseño. Dentro de los resultados más importantes que se logra es generar una metodología en base a un análisis numérico para poder comparar las distintas geometrías estudiadas, el cual nos dice que las mejoras en las geometrías de los feedwells, como lo es añadir una alimentación tangencial, un baffle o un cono de distribución, permiten una distribución más homogénea a la salida del feedwell, siendo estas mejoras compatibles y generando como resultado que el feedwell cerrado con baffle y alimentación tangencial, cumple de mejor manera con los criterios de diseño.

Ingeniero Civil Mecánico / El desarrollo e impulsión de las ERNC (Energía Renovables No Convencionales) ha adquirido un auge notorio en los últimos años en nuestro país, sobre todo con la aprobación de la denominada ley 20/25, que exige para el año 2025, un 20% de partición de las ERNC en la matriz energética nacional. Esto implica un importante desafío en el camino a seguir en materia energética, dado el contexto nacional que señala a Chile como un país rico en recursos naturales. Entre ellos, cabe destacar el enorme potencial solar de nuestro país, que no ha visto una inversión suficiente para un desarrollo importante. En los últimos años, y debido a las políticas públicas para diversificar la matriz energética bajo un carácter renovable y el interés de las empresas mundiales por el potencial en suelo chileno, se ha invertido en importantes proyectos de energía solar, como la planta híbrida CSP (Concentrated Solar Power) en construcción que operará en el desierto de Atacama, siendo la primera planta de concentración de América Latina. La clave de esta tecnología es su capacidad de generar energía eléctrica de manera continua, esto gracias a su sistema de acumulación, que consiste en dos estanques rellenos con sal fundida, uno frío y el otro caliente, y proveen de energía térmica cuando los niveles de radiación son bajos. En el presente trabajo, se busca simular un ciclo completo de operación de un solo estanque, llamado termoclina, encargado del bloque de acumulación de una planta CSP, las que acumulan la energía proveniente de la radiación solar para producción de energía eléctrica en un bloque de potencia. Esta tecnología utiliza un solo estanque de acumulación en vez de dos, tal que tanto en los procesos de carga y descarga, se forma un gradiente vertical de temperatura en su interior, llamado termoclina. Para ello, se establecen las ecuaciones que gobiernan los fenómenos físicos, se dimensiona el estanque y las condiciones de borde e iniciales, se adapta el modelo en el software Comsol v5.3, y se configura para los procesos de carga y descarga. Los gráficos y valores obtenidos por el estudio indican una clara relación entre el espesor de la termoclina y las pérdidas de acumulación en un ciclo de operación. A medida que el espesor alcanza mayores valores, la pérdida de acumulación es mayor, de modo que una termoclina más compacta aumenta el rendimiento del estanque acumulador. Otra variable importante es la porosidad del medio de relleno del estanque, pues un aumento en la porosidad indica un aumento de rendimiento, lo que se explica por la mayor área para transferencia de calor entre el medio y el fluido de trabajo.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniero Civil / Las ondas solitarias superficiales en líquidos consisten en pulsos estables no lineales, producto del balance entre la no linealidad de la componente advectiva de la aceleración y la dispersión. La formulación comúnmente utilizada es la solución de flujo potencial donde su velocidad de fase y longitud dependen sólo de la amplitud y profundidad. En la realidad, la principal fuerza restitutoria es la gravedad mientras que la viscosidad afecta su atenuación y celeridad. En la naturaleza dichas perturbaciones se observan en el agua producto de cualquier variación singular de volumen o presión. El estudio de estas ondas en fluidos netwonianos más viscosos que el agua se torna importante cuando hay derrame de aceites, como petróleo, cerca de la costa. Éste fenómeno ondulatorio se ha observado también en fluidos no netwonianos como solitones en la porosidad producto de súbitas subpresiones en magma fluidizado. Actualmente no está claro cómo afecta la viscosidad en la propagación de estas ondulaciones tanto en la celeridad como en la amplitud. Si bien existen soluciones analíticas para el agua, donde la viscosidad afecta débilmente su dinámica dentro de una delgada capa límite, no se encuentran mayores referencias para un fluido más viscoso. En el último tiempo se han perfeccionado técnicas ópticas de medición no intrusivas, especialmente útiles para medir con alta precisión a escala de laboratorio. Asimismo, se han desarrollado modelos computacionales en fluidodinámica cada vez más complejos, los que permiten complementar investigaciones experimentales y/o teóricas. Gracias a esto, se realiza un estudio experimental del efecto de la viscosidad en ondas solitarias superficiales en fluidos netwonianos y no netwonianos. Se establece el marco teórico de la propagación de dichas perturbaciones obteniendo una relación analítica usando análisis dimensional y mediante simulaciones numéricas. Las ondas se miden utilizando velocimetría de imágenes de partículas y perfilometría por transformada de Fourier utilizando un canal de acrílico en el Laboratorio de Materia Fuera del Equilibrio del Departamento de Física de la Universidad de Chile. Se obtiene la amplitud, velocidad de fase, profundidad, el número de onda y las propiedades físicas, una solución de glicerina y una de carboximetilcelulosa. Además se implementa un modelo numérico en OpenFOAM para analizar la propagación de ondas más allá de los rangos medidos experimentalmente. Tanto las mediciones realizadas como los modelos numéricos demuestran que a mayor viscosidad disminuye la celeridad de la onda solitaria, para fluidos netwonianos y no netwonianos, resultado consistente con la relación teórica para el rango lineal. Por otro lado, a partir del modelado numérico se obtiene que la celeridad aumenta al disminuir el índice de flujo de la reología del fluido al mismo índice de consistencia. Esto se debe a que a mayores índices de flujo mayor es la viscosidad aparente para un fluido dilatante cuando la tasa de deformación es mayor a la unidad. También se obtiene una relación adimensional entre la tasa de decaimiento, número de Reynolds y el número de onda, donde dicha atenuación de la onda disminuye a mayores números de Reynolds en fluidos no netwonianos para la reología y rango de deformación estudiado. De esta forma se determina el efecto que tiene la viscosidad de un fluido newtoniano y otro no newtoniano sobre la celeridad de la onda solitaria. / Este trabajo ha sido financiado por FONDECYT a través de proyecto de investigación N° 1161751 y la beca de Magíster en Chile, CONICYT-PCHA/Magíster Nacional /2016 - 22161261. Powered@NLHPC: Esta investigación /tesis fue parcialmente apoyada por la infraestructura de supercómputo del NLHPC (ECM-02)

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / En la integración numérica de los métodos de Galerkin sin malla, debido a la complejidad de las funciones de forma, es necesario utilizar una gran cantidad de puntos de integración para lograr que el método sea estable, lo que aumenta los tiempos de cómputo. Por otro lado, la integración directa en el nodo puede ser deseable porque se basa en menos evaluaciones de puntos de integración, pero conduce a inestabilidad numérica debido a un mecanismo similar a la subintegración y al desvanecimiento de las derivadas de las funciones de base en los nodos. En este trabajo se propone un esquema de integración nodal consistente y estable para el método de Galerkin sin malla para problemas de mecánica de sólidos lineal. Para el desarrollo de este esquema se utiliza la descomposición del elemento virtual, la cual fue previamente desarrollada para afrontar problemas de integración numérica en elementos poligonales. El método propuesto en esta tesis se ha denominado NIVED (Nodal Integration using the Virtual Element Descomposition). La integración nodal se evalúa sobre las celdas representativas para cada nodo, basadas en diagramas de Voronoi o en polígonos construidos a partir de mallas de triángulos, donde el centroide de los triángulos representan los vértices de los polígonos. En esta tesis, el esquema se implementa utilizando las funciones de base de la máxima entropía. Para estudiar y demostrar la precisión y la robustez del método de integración nodal se implementan varios problemas de referencia en elastostática y elastodinámica lineal bidimensional. Adicionalmente los problemas estáticos se comparan con el desempeño de un método de Galerkin sin malla utilizando integración de Gauss y el problema dinámico con el desempeño del método del punto material. Se demuestra que el esquema propuesto satisface el test de la parcela lineal entregando error de máquina. Finalmente NIVED demostró ser un esquema consistente y estable.

Ingeniero Civil Mecánico / En minería el concepto de flotación es muy ocupado en la industria sobre todo en plantas de concentrado, con el cual se genera una selección de minerales económicamente deseables. Dicho proceso sucede en equipos llamados celdas de flotación. En dichos procesos, la utilización de agua es esencial, recurso el cual es muy escaso actualmente en nuestro país. Por lo anterior, se deben implementar nuevas tecnologías que permitan ocupar la menor cantidad de agua posible para estos procesos. Bajo este contexto, el profesor Gonzalo Montes en conjunto con su grupo de trabajo del departamento de Ingeniera Civil en Minas de la Universidad de Chile, diseño un prototipo de celda el cual pretende solucionar el problema planteado. Este funciona en base a dos fuerzas externas que interactuando en conjunto producen el efecto deseado. Estas fuerzas son generadas mediante los principios del hidrociclón y campos magnéticos. De lo anterior nace el tema de memoria a tratar, el cual tiene como objetivo principal estudiar el comportamiento fluido dinámico de prototipo ya mencionado bajo distintas condiciones operacionales y geométricas, mediante análisis teórico, ocupando el método CFD (Computational Fluids Dynamics). Para poder llevar acabo dicho análisis, se sigue la siguiente metodología de trabajo. Primero se realiza revisión bibliográfica, antecedentes generales de los temas relacionados con la memoria. Al instante en que concluye dicha actividad, se procede a variar la geometría del prototipo original de la celda en Autodesk Inventor 2017. Se realizan las simulaciones correspondientes en el software ANSYS 17.1. Luego, se procede a variar la concentración de sólidos y se analiza el efecto en prototipos de celda. Realizando simulaciones en el software ANSYS 17.1, en donde se generan variados modelos con diferentes porcentajes de concentración. Cabe destacar, que en el presente trabajo no se realizarán actividades experimentales para el análisis de la celda. Para realizar el trabajo ya señalado se necesita un computador de cálculo, el cual está disponible en el clúster del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad de Chile. Además de los Softwares Microsoft Office 2013, ANSYS 17.1 y Autodesk Inventor 2017, presentes en el equipo antes señalado Finalmente, se procede adjuntar los resultados obtenidos en las actividades y realizar un análisis con respecto al comportamiento viscoso, condiciones operacionales de la celda y dispersión de aire en la celda. Concluyendo en base a criterios de diseño y rangos de operación para el prototipo de celda de flotación.

Ingeniero Civil Mecánico / La helada de radiación es un fenómeno meteorológico responsable de pérdidas económicas severas en el sector agrícola debido a que puede ocasionar la destrucción completa del cultivo o, en un mejor caso, una disminución sustancial de la calidad de la fruta eventualmente cosechada. Este trabajo consiste en el empleo de simulaciones fluidodinámica computacionales para el análisis de la efectividad de la máquina Tow & Blow en función de sus parámetros operacionales y de las condiciones meteorológicas presentes durante su funcionamiento, para la protección de Vitis vinífera, la planta más utilizada para la producción de vino, contra heladas de radiación. Los parámetros operacionales estudiados son la altura de la máquina, el ángulo del rotor con respecto al plano horizontal y la velocidad de rotación de las aspas. Por su parte, las condiciones meteorológicas estudiadas son la temperatura del aire a los 1,5 m de altura y la intensidad de la inversión. En primera instancia, se crea un modelo termodinámico de la helada, para representar de manera precisa su efecto sobre las plantas. Posteriormente, se selecciona una localidad, que corresponde a la Viña Matetic ubicada en la Región de Valparaíso, Chile, para la adquisición de datos necesarios para la implementación del modelo. Luego se procede a calcular los distintos parámetros del modelo termodinámico a partir de los datos adquiridos y del uso de teoría de transferencia de calor y turbulencia atmosférica. Una vez cuantificado el modelo, se procede a realizar un diseño computacional de la máquina, para su posterior implementación en el software de análisis de fluidodinámica computacional. Finalmente, se elabora un criterio de protección a partir de la temperatura crítica de la planta de Vitis vinífera y se llevan a cabo las simulaciones correspondientes en base a la variación de los parámetros estudiados. A partir de los resultados de las simulaciones, se determinan funciones polinómicas que generalizan la relación entre el valor de cada parámetro estudiado y la variación porcentual del área de protección, junto con la variación porcentual de la máxima temperatura alcanzada a los 0,7 m de altura, que corresponde a la mínima altura de ubicación de las uvas. El análisis de los resultados de las simulaciones indica que la máquina logra otorgar protección a la planta de Vitis vinífera de una helada de radiación para temperaturas del aire a 1,5 m de altura superiores a -5,15 °C. Por otro lado, la efectividad de la máquina es fuertemente influenciada por el valor de este y los demás parámetros de estudio, indicados previamente. Finalmente, se recomienda la utilización de un ángulo de rotor de 13 ° y una altura de la máquina de 3 m para la maximización del área de protección, junto con la utilización de las funciones polinómicas obtenidas en el trabajo para la estimación de la efectividad de la máquina a partir de datos específicos de la localidad.