Analizar la morfología del fondo de los ríos brinda información valiosa para posteriores estudios, para ello es necesario discriminar las distintas formas en base a sus escalas. No obstante, actualmente no existe un procedimiento estándar para realizar la mencionada discriminación. Es ante esa necesidad el presente estudio propone un método así como una aplicación desarrollada en MATLAB, para discriminar las distintas entidades en ambientes sedimentarios.

Ingeniero Civil / La presente memoria para optar al título de ingeniero civil consiste en el diseño, construcción y puesta en marcha de un túnel construido en acrílico. El objetivo de la instalación es estudiar las formas de fondo que se formen en un lecho granular no-cohesivo depositado en el fondo debido a un flujo oscilatorio inducido por el movimiento de un pistón en solitario y en conjunto a un flujo unidireccional base. Los fluidos que se utilizarán en el túnel serán soluciones de CMC a distintas concentraciones y agua. El CMC es un espesante en polvo, que al mezclarlo con agua genera un fluido no-newtoniano pseudoplástico, por lo que se tienen condiciones distintas respecto a los demás túneles de agua que se han construido en otras partes del mundo (\cite{catanolopera2007}, \cite{ribberinksalem1994}, \cite{odonoghueclubb2001}, \cite{calantoni2013laboratory}). Hasta el momento el flujo oscilatorio de un fluido no-newtoniano sobre un lecho granular no cohesivo no ha sido estudiado. En el diseño del mecanismo que genera las oscilaciones dentro de la tubería como en la elección de la bomba que realiza la recirculación se tomó en consideración que sería un fluido no-newtoniano el que se utilizaría en la instalación. La principal diferencia se produce en el cálculo de las pérdidas de energía generadas por la mayor viscosidad del fluido pseudoplástico. Luego del diseño y construcción, se procedió a la puesta en marcha de la instalación, etapa en la que se establecieron los rangos de funcionamiento en los cuales se puede utilizar, tanto del tamaño de las partículas que forman el lecho de arena, la velocidad oscilatoria y unidireccional del flujo, la amplitud y frecuencia del movimiento del pistón. La puesta en marcha del túnel de acrílico incluyó la instalación de sistemas de medición para la obtención de resultados. Estas mediciones incluyen los siguientes parámetros: presión, temperatura, caudal, campo de velocidades del flujo, frecuencia del movimiento, además de la visualización de las formas de fondo. Para ello se instalaron transductores de presión a lo largo de la tubería, termómetro, flujómetro, tacómetro, sistema PIV y FTP. Además,se instaló un intercambiador de calor que permite que los experimentos tengan una temperatura relativamente uniforme, para así no tener cambios en la reología del fluido. / Este trabajo ha sido financiado por FONDECYT a través del Proyecto de Investigación N° 1161751

Ingeniero Civil / El presente trabajo está dedicado al estudio de formas de fondo generadas en un lecho de partículas sólidas bajo la acción de un fluido no newtoniano en superficie libre. Con los resultados experimentales se obtienen relaciones adimensionales que describen bajo que condiciones de escurrimiento y propiedades de los granos se generan formas de fondo y otras que caracterizan la evolución de las mismas. Las formas de fondo son ondas sedimentarias resultantes del movimiento de partículas, debido a la acción de un fluido que fluye sobre ellas. Han sido estudiadas por décadas en flujos de agua, el cual corresponde a un fluido newtoniano. Se pueden encontrar tanto en la naturaleza, en los llamados flujos aluviales, como en la industria, en el transporte hidráulico de sólidos. Prácticamente el total de los estudios ha sido realizado utilizando agua pura como fluido, pero se debe tener en cuenta que, dependiendo principalmente de la concentración de sólidos, la mezcla de partículas finas y agua podría comportarse como un fluido no-newtoniano. Las publicaciones en relación con las formas de fondo en fluidos no-newtonianos son bastante escasas. Esta investigación tiene como objetivo general contribuir a llenar el vacío en este campo, al estudiar experimentalmente la aparición y evolución de formas de fondo en flujos con superficie libre, cuando el fluido es no-newtoniano. Para esto se cuenta con una instalación experimental que permite visualizar el movimiento de las partículas sobre el lecho. Para el desarrollo de la investigación, en primer lugar se realiza una revisión de antecedentes. Esto está enfocado básicamente en conocer tanto la metodología utilizada en los experimentos como los resultados obtenidos en el estudio de formas de fondo en flujos de agua pura, además de verificar que estas ondas también se generan cuando actúa un fluido no-newtoniano. Luego se diseña y construye un canal de $4 m$ de largo y sección transversal rectangular de $0.15$ m y $0.2$ m de alto y ancho,respectivamente. El sedimento se compone de micro esferas de vidrio y el fluido utilizado es una mezcla de agua con carboximetilcelulosa (CMC), la que genera un fluido equivalente no-newtoniano. Las observaciones en las experiencias y el posterior análisis de datos permite generar variables adimensionales, tales como: el número de Froude ($Fr$), un número de Reynolds definido como $Re_{Kx}=\frac{\rho u^{2-n}x^n}{K}$ con x la variable $h$,$d$ o $\Delta$ para números de Reynolds asociados al fluido, sedimento o forma de fondo, respectivamente. Además de $\frac{\lambda}{h}$ y $\frac{\Delta}{h}$ que son adimensionales de la longitud y amplitud de onda respectivamente y $c_b=\frac{cgrd}{u_*^3}$ adimensional de la celeridad. Estas variables relacionan propiedades del fluido y del sedimento con características del flujo. Con estas se puede predecir bajo que condiciones hay presencia de formas de fondo. Por otra parte, se obtienen relaciones que ligan las características de las formas de fondo con la reología del fluido. En líneas generales, estos resultados pueden ser aplicados al transporte de relaves mineros en canales abiertos, lo cual se realiza constantemente en el área de la minería.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / Las formas de fondo son ondas sedimentarias con una cierta periodicidad espacial y geometría definida. Su presencia condiciona la resistencia hidráulica y el transporte de sedimentos, por lo que resulta importante ser capaces de conocer bajo qué condiciones se forman y cuantificar sus características. En el presente trabajo se exponen resultados de un estudio experimental, donde se estudian las características de las ondas sedimentarias que se generan debido al flujo en presión y régimen laminar, de un fluido pseudoplástico en una tubería de sección cuadrada. La característica pseudoplástica del fluido busca reproducir el comportamiento no Newtoniano que adquieren algunas mezclas de agua con sedimento fino. Además del caudal, la instalación experimental permite controlar la pendiente de la tubería. Para la caracterización de las formas de fondo, se utiliza un sistema óptico de medición no intrusivo basado en un algoritmo conocido como perfilometría por transformada de Fourier, el cual fue corregido dada la refracción del haz de luz al entrar en la tubería. El método es capaz de medir características geométricas de la onda y su celeridad, a partir de lo cual es posible estimar el gasto sólido de fondo. Los principales resultados obtenidos de la investigación son: (1) La caracterización geométrica y temporal de las formas de fondo. Se encontró que las formas de fondo disminuyen su longitud para contrapendiente y aumentan su longitud para los casos en pendiente a favor, respecto de la condición horizontal. Además, para el rango de adimensionales estudiado, se obtuvo un crecimiento sostenido de la amplitud de las formas de fondo con el aumento de un número de Reynolds modificado. (2) La curva ajustada por Mantz en el diagrama de Shields sigue siendo válida si se utiliza un número de Reynolds de la partícula modificado que considera la viscosidad efectiva del fluido pseudoplástico y que extrae el efecto de pared. (3) Del estudio del factor de fricción asociado al lecho se demuestra y cuantifica el efecto de la forma de fondo, la cual influye en las pérdidas de energía aún en regimen laminar. Es decir, a pesar de que en régimen laminar no existe rugosidad hidrodinámica asociada al lecho de partículas, el factor de fricción asociado al lecho aumenta en presencia de formas de fondo, efecto que además depende de la pendiente de la tubería. / Este trabajo ha sido financiado por FONDECYT a través del proyecto de investigación N° 1130910 y la beca de Magíster en Chile, CONICYT - PCHA/Magíster Nacional / 2014 - 22141496