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.

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.

Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo hasta el año 2014 / El principal objetivo de este trabajo de título fue instalar un sistema de medición de velocidades de flujo en fluidos por anemometría láser Doppler (LDV). Esto se realizó en el marco del proyecto Fondecyt N°1085015, cuyos estudios apuntan a la caracterización de los flujos de transporte de calor y momentum a través de dispositivos de cortinas de aire doble jet-doble flujo. Parte de estos estudios se realizan en un montaje experimental, el cual simula el calor generado por un incendio en un túnel a escala, donde el objetivo de las cortinas de aire es contener el calor, generado por una fuente térmica, aislándolo de las zonas que se quiere proteger, y que deberán mantenerse a una temperatura moderada. Dentro de este montaje experimental, se instaló el dispositivo LDV junto con un sistema de medición de temperaturas por termocupla fina. La operación de estos instrumentos permitió la medición simultánea del campo de velocidad y temperatura, promedio y fluctuante, al interior del túnel donde evoluciona el doble jet-doble flujo. Para probar los instrumentos se consideraron tres casos de estudio. El primero fue un caso base de prueba, donde se obtuvieron perfiles de velocidad y temperatura de manera simultánea, lo que permitió posteriormente calcular el factor de correlación velocidad-temperatura, el cual corresponde al transporte de calor turbulento. Posteriormente, el caso dos y tres corresponde al análisis de las correlaciones velocidad-temperatura en la dirección vertical y horizontal del jet respectivamente. Se obtuvieron los valores de esta correlación en perfiles horizontales a distintas alturas del jet, encontrando que el transporte de calor turbulento aumenta considerablemente de magnitud, a medida que el jet se ensancha en los niveles inferiores más cercanos a la zona de impacto. Sin embargo, la dirección neta de este transporte de calor no pudo determinarse claramente, debido a una alta dispersión de los datos obtenidos. Se concluye que las condiciones de medición son determinantes al momento de obtener los datos de temperatura y velocidad simultáneamente. Especial cuidado debe tenerse en el sembrado de partículas y alineación de los instrumentos, para así obtener resultados concordantes con la teoría del fenómeno.

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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.