Magíster en Ciencias, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / En relación a los procesos de transferencia de masa que pueden tener lugar en la interfaz agua sedimentos (por ejemplo, penetración de oxígeno disuelto hacia el interior de los sedimentos, o liberación de nutrientes desde los sedimentos hacia la columna de agua), se analiza teóricamente la influencia de la turbulencia en el flujo sobre la interfaz como factor que altera las tasas de transporte, así como determinante de la mezcla en medios con y sin estratificación. Para efectuar este estudio, se parte desde una base teórica que incluye las ecuaciones básicas que describen el flujo y su turbulencia, y la difusión molecular y turbulenta de masa. Adicionalmente, se incorpora evidencia experimental en la determinación de coeficientes de intercambio de masa, para la calibración de modelos numéricos que relacionen la intensidad de turbulencia con la magnitud de los flujos en la mencionada interfaz, así como dando cuenta de la mezcla que se produce en la columna de agua, de los mismos solutos que son transferidos entre el agua y el lecho. Además, se realiza un estudio experimental, adaptando una instalación de columna con turbulencia generada por grillas, para representar diversos estados de flujo y analizar la influencia de la distribución vertical de la turbulencia en los procesos de transferencia, comparando casos de mezcla inducida por viento soplando sobre la superficie libre, o flujo gravitacional desarrollado en un canal. Se aplica el conocimiento desarrollado en la implementación de estas herramientas en el análisis de un caso real apoyado con datos de terreno, del cual se tiene conocimiento de la importancia de los procesos de intercambio de oxígeno y la demanda de éste en los sedimentos de oxígeno, para la conservación de un ecosistema basado en el crecimiento de algas, que son alimento para otras especies. Finalmente, se concluye sobre las relaciones encontradas entre los principales parámetros del sistema que gobiernan la transferencia y mezcla de solutos, estableciendo indicadores para cuantificar estos fenómenos, y entregando herramientas numéricas para el análisis detallado de las variaciones temporales de estos procesos.

El presente trabajo de titulación tuvo como objetivo someter a los programas comerciales ADINA y FLUENT al problema de fluido dinámica correspondiente a un flujo bidimensional al interior de un canal de placas planas con dos obstáculos de sección cuadrada ubicados transversalmente a la dirección del flujo, y comparar los resultados arrojados por estos programas con los obtenidos mediante algoritmos numéricos programados en el Departamento de Ingeniería Mecánica mediante lenguaje FORTRAN, tanto para el caso de flujo laminar como para el caso de flujo turbulento. La metodología que se siguió fue la siguiente: se analizó la literatura existente referente a flujos laminares y turbulentos dentro de un canal de placas planas con obstáculos; se definieron las dimensiones de la geometría del canal y el tamaño de las mallas de tal manera que éstas fueran las mismas que las utilizadas en los algoritmos numéricos programados en FORTRAN, a fin de comparar los resultados una vez realizadas las simulaciones en ambos programas; se definió el fluido que entra al canal y su temperatura, de esta manera se pudo definir las propiedades físicas del fluido; se simuló el caso de flujo laminar y el caso de flujo turbulento en ambos programas y mediante software auxiliares se manejaron los datos y se confeccionaron los distintos gráficos y tablas. En cuanto al seteo de los programas, se definió el problema a resolver en las interfaces de ambos, tratando de no ”favorecer” a un software sobre el otro, por ejemplo: se asignaron mallas iguales, tipo de elementos iguales, modelos de fluidos y de turbulencia, etc. Finalmente se recopilaron todos los resultados, tanto de los programas como los obtenidos en las memorias anteriores de Paredes y Pap, y estos se presentaron de manera individual y comparativa en forma de gráficos y tablas. En el caso de flujo laminar, los resultados obtenidos mediante ADINA y FLUENT en comparación con los obtenidos por Paredes presentaron una alta similitud para los distintos coeficientes de importancia considerados en este trabajo (coeficientes de fricción, arrastre y sustentación, número de Nusselt y frecuencia de oscilación del flujo). En el caso de flujo turbulento, se obtuvo una alta diferencia para un coeficiente en particular: coeficiente de sustentación, no obstante, en los otros coeficientes considerados se obtuvo diferencias dentro de un margen aceptable, considerando que se utilizó un modelo estadístico de turbulencia.

Este trabajo es un estudio sobre una transición de onda de gravedad que ocurre en un flujo en régimen turbulento. Esta bifurcación fue descubierta recientemente y hay muchas preguntas abiertas respecto de ella. En particular, no se conoce el mecanismo de la inestabilidad ni se tiene claridad respecto del rol de la turbulencia en ella. En el capítulo 1, además de describirse el fenómeno estudiado, se presentan brevemente los aspectos conocidos de la mecánica de fluidos que son más pertinentes al estudio realizado. Posteriormente se plantean los objetivos. En el segundo capítulo se da una descripción detallada del montaje tipo Taylor-Couette desarrollado durante este trabajo. También se explican los protocolos de medición utilizados. En el capítulo 3 se presentan los resultados experimentales obtenidos. El hallazgo más importante es el hecho de que el número de Froude es, dentro de los parámetros adimensionales considerados, el que mejor describe la bifurcación. Esto resulta evidente al comparar los diagramas de bifurcación de este experimento con el previamente existente. Por otro lado se obtiene la dependencia de las frecuencias propias de algunos modos fundamentales. En esa dependencia es posible observar que la zona en que se desarrolla la inestabilidad coincide con el encuentro de las frecuencias de dos modos propios de superficie. Finalmente, es importante mencionar que se registraron efectos asociados al desgaste del montaje que, junto con algunas diferencias entre estos resultados y los datos experimentales previos, se pueden interpretar como producto de la influencia de ruido en la transición, ruido asociado tanto a las fluctuaciones turbulentas como a las vibraciones mecánicas del montaje. Este aspecto requiere mayor caracterización que permita aislar de mejor manera el rol de la turbulencia. En el capítulo 4 se realiza un análisis teórico que busca determinar la dependencia con la intensidad del flujo de los modos propios de onda de gravedad de la superficie libre. Esto busca determinar la aparición de alguna inestabilidad lineal en los modos a medida que incrementa la intensidad del flujo. Pese a no poderse determinar la estabilidad de los modos, los resultados para la dependencia de las frecuencias propias presentan un buen ajuste a las medidas. Finalmente, en el capítulo 5 se presentan las conclusiones. Entre ellas se menciona una posibilidad respecto de cuál puede ser el mecanismo. Ese mecanismo estaría determinado por la colisión de las frecuencias de dos modos, lo que se sugiere tanto de los resultados experimentales como de los teóricos. Adicionalmente se proponen algunos aspectos que podrían abordar investigaciones futuras.