Magister en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / El río Maule, ubicado entre las latitudes 35° 10 y 36° 30 Sur, tiene una hoya hidrográfica que abarca una superficie de 20.295 km^2 (DGA, 2004). El estuario propiamente tal se encuentra al norte de la ciudad de Constitución, en la desembocadura del río Maule, Provincia de Talca, Región del Maule, en donde el Instituto Nacional de Hidráulica (INH) efectuó una serie de mediciones de campo durante el periodo del 25 de Mayo al 24 de Junio del año 2011. Estas mediciones muestran marcadas corrientes inducidas por marea al interior del estuario, con generación de pulsos de alta frecuencia (mayores a 2 ciclos por día o cpd). En particular, el aumento del caudal medio en aproximadamente 2.6 veces durante las mediciones impacta de forma notoria la velocidad media de todo el sistema como también cambios en los pulsos de corrientes cercanos al lecho, donde se pone especial atención a esta interacción entre el aumento del caudal del río y la marea. Luego, el objetivo principal de este estudio es determinar los factores que condicionan las corrientes en profundidad del sistema estuarino del río Maule, las cuales permitan caracterizar de manera adecuada la hidrodinámica y evaluar su importancia en los procesos asociados a la dispersión de sal en este cuerpo de agua. Para cumplir con el objetivo de este trabajo se pretende analizar el estuario bajo tres puntos. Primero se observa la influencia geométrica del estuario sobre las corrientes por medio de ecuaciones de escala provenientes de las propiedades conservativas del flujo. Segundo, se efectúa un detenido análisis armónico de la superficie libre y amplitud de las corrientes internas del estuario utilizando tres métodos: análisis clásico, transformada de Fourier y transformada Wavelet. Y Tercero, se estima el coeficiente de dispersión a lo largo del estuario, que permita caracterizar de forma adecuada el avance de sal hacia aguas arriba de este. Adicional a los tres puntos anteriores, se desarrollan simulaciones numéricas para confirmar algunas hipótesis que surgen durante el análisis de los dos últimos puntos. Los resultados muestran que el estuario tiene una geomorfología sectorizada, donde aguas abajo (primeros 7.6\ km ) posee una forma cónica e hipersincrónica, mientras que en el segundo su anchura es aproximadamente constante, tendiendo al equilibrio morfodinámico. El análisis de los componentes de marea muestra modulaciones de alta frecuencia M3 y M4 al interior del estuario, las cuales sufren una variación de 0.9 y 1.6 veces en su magnitud cercano al fondo producto de un aumento en 2.6 veces el caudal medio del río, ocurrido el día 09 de Junio de 2011 en adelante. Estas observaciones son respaldadas con simulaciones numéricas, mostrando un comportamiento de similares características. Estos resultados en conjunto fortalecen la teoría no lineal de estas modulaciones someras ante variaciones del flujo producto del río. Del análisis del coeficiente de dispersión se logró estimar de forma efectiva este valor mediante simulaciones numéricas, el cual se encontraría dentro del rango de 100 a 200 m^2/s.

Justifica la necesidad de incrementar la eficiencia y confiabilidad de los sistemas de bombeo, aminorar los costos de operación de la misma, extensión de la vida útil de las bombas y los sistemas complementarios, asimismo la reducción de paradas por mantenimiento preventivo o correctivo. Los efectos que ocasiona la impulsión de la mezcla acuosa elevada en concentración sólida, daña los componentes internos de las bombas, incrementando los costos de reparación. Se ha podido verificar que algunos sistemas de bombeo son inutilizados por la excesiva impulsión de sedimentos en medio acuoso. / Tesis

En esta tesis se presenta el estudio hidrodinámico de una bacteria tipo Escherichia coli interactuando con superficies y partículas micrométricas. Debido a su tamaño micrométrico y velocidad típica, el número de Reynolds asociado al nado de esta bacteria en agua es del orden de 10−5 , por lo cual su dinámica está gobernada por la ecuación de Stokes, y se cumple que tanto las fuerzas como los torques totales actuando sobre ésta son cero. El estudio de la interacción de la E. coli con una partícula pasiva en un flujo no confinado consistió en considerar el efecto de la bacteria sobre el fluido como el de dos monopolos de fuerza iguales y opuestos. Los resultados numéricos indican que en ausencia de confinamiento la difusión debido a la presencia de las bacterias es subdominante frente a la difusión térmica, lo cual ha sido corroborado experimentalmente. Por otro lado, existe evidencia experimental que indica que cerca de una superficie esferas micrométricas en presencia de bacterias difunden por sobre la difusión térmica, lo cual motiva la construcción de un modelo para bacteria que nade cerca de una superficie. El modelo propuesto en esta tesis consiste en dos esferas de distinto radio unidas por una barra libre de roce. La dinámica de este nadador cerca de una superficie se obtiene de resolver numéricamente el sistema de ecuaciones que contiene las condiciones de fuerza y torque total nulos sobre el nadador así como también las constricciones geométricas dadas por la rigidez de la barra que une las esferas. Además, la interacción de las esferas con el plano se obtuvo de calcular la matriz resistencia, la cual relaciona las fuerzas y el torques hidrodinámicos con las velocidades lineales y angulares de las esferas. Se estudió el estado final del nadador como función de las condiciones iniciales obteniendo que existen tres comportamientos: a) nadar lejos de la superficie, b) nadar a distancia finita de la pared y c) nadar pegado a la pared. En este último caso el nadador describe círculos cuando es visto desde arriba, con radios de curvatura que concuerdan con observaciones experimentales.

Ingeniero Civil / El trabajo de título realizado consistió en la aplicación del análisis modal a sistemas oscilantes que correspondieron a cuerpos de agua someros, con el que se obtuvieron las formas en que oscila el agua contenida en estos cuerpos, sus frecuencias respectivas, sus evoluciones y su relación con el transporte horizontal de masa. Este análisis se logra gracias a la simplificación que consiste en considerar que las propiedades en la vertical pueden ser representadas por valores promedios o integrados al ser poca la profundidad de estos cuerpos. Gracias a esta simplificación, se obtienen soluciones del tipo oscilante que resuelven las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos. El objetivo general es obtener los modos normales, numérica y experimentalmente, en función de la forma y batimetría de los cuerpos de agua y determinar como los campos de velocidades, que son consecuencia de cada modo, influyen en el transporte horizontal de masa Para comprender el sistema, se abordaron básicamente dos fenómenos: la dinámica de los modos normales y el transporte de masa. Para desarrollar el estudio numérico, se utilizó el modelo numérico implementado por Pérez (2015) para determinar los modos normales de cuerpos de aguas someras. El estudio experimental fue desarrollado utilizando una instalación la cual consistió en una maqueta que simulaba un cuerpo de agua somero circunferencial de 40[cm] de diámetro que vibraba horizontalmente. Con un sensor ADV se determinaron las velocidades alcanzadas y mediante registros de videos, los coeficientes de dispersión de una solución de colorante artifical azul brillante. Luego del análisis de los resultados, se concluye que existen diferencias entre las frecuencias de los modos normales calculadas numéricamente y las obtenidas mediante los experimentos. Además, se observan fenómenos como perturbaciones que oscilan con una frecuencia igual a la del modo fundamental (n=1) una vez detenido el motor que hace vibrar al cuerpo somero. Se observa también que este modo es inestable presentando un campo de velocidades circular. Se tiene que el decaimiento de las series de velocidad al final de cada experimento depende de la profundidad del cuerpo de agua y obedece relaciones propuestas por otros autores, validando los procedimientos y el registro de datos. Por último, se concluye que el coeficiente de dispersión de la solución utilizada depende muy fuertemente de la escala de longitud en que actúa este fenómeno. Aunque se observan comportamientos anómalos para las escalas de longitudes utilizadas en este trabajo, los valores de los coeficientes de dispersión se ajustan a relaciones encontradas por otros autores.

Magíster en Ciencias, Mención Física / Un baño bacteriano consiste en un fluido en el que nadan bacterias. Este nado produce agitaciones en el sistema, induciendo un campo de velocidades en él. En esta tesis, se presenta un estudio hidrodinámico de las fluctuaciones en un baño bacteriano en aproximación diluida, y los efectos de éstas sobre la agitación del sistema y la difusión de trazadores pasivos sumergidos en él. Debido a su tamaño y velocidades típicas de propulsión, las bacterias se encuentran en un régimen de bajo número de Reynolds, por lo que están sometidas a condiciones de fuerza y torque total nulos, y la dinámica del fluido en que se propulsan está descrita por las ecuaciones de Stokes. Así, la perturbación que una bacteria ejerce en el fluido puede aproximarse como un dipolo de fuerza puntual. El campo de velocidades inducido en el fluido por este dipolo da origen a interacciones entre bacterias. Además, éstas experimentan colisiones, las cuales dominan a altas concentraciones, dando origen a una transición hacia una fase de nado colectivo de tipo nemática. El modelo estudiado consiste en la extensión de una teoría cinética previa, a partir de la cual se obtienen ecuaciones hidrodinámicas para los campos de densidad, orientación y tensor dipolar de las bacterias en dos dimensiones, las que se linealizan en fase isotrópica, cerca de la transición nemática. Se calcularon los modos propios del sistema, además de las correlaciones entre los campos en espacio de Fourier. A partir del campo de velocidades inducido por las bacterias en el fluido se obtuvo su energía cinética, de donde pudo extraerse una temperatura activa del sistema, la cual depende de acoplamientos entre las componentes del tensor dipolar. Se encontró que esta temperatura diverge logarítmicamente con el tamaño del sistema por la presencia misma de las bacterias, mientras que las correlaciones entre ellas tienen el mismo comportamiento para tamaños grandes del sistema, y depende de la intensidad de las fluctuaciones. Este resultado fue extendido a tres dimensiones, donde ambas contribuciones resultan convergentes, dependiendo solamente de las escalas microscópicas. Por otro lado, la velocidad cuadrática media corresponde a un caso particular del tensor de correlaciones espaciales de velocidad. Se encontró en este caso que el modelo predice la formación de vórtices en el sistema tanto en dos como en tres dimensiones. Finalmente, se estudió de forma numérica la difusión de una partícula pasiva siendo arrastrada por el campo de velocidades generado por las bacterias en el fluido. Los resultados obtenidos para el coeficiente de difusión inducida indican que éste crece con el cuadrado del tamaño del sistema, lo cual puede explicarse de manera simple considerando la dependencia de los tiempos de correlación de las fluctuaciones con los valores propios del modelo. En función de la cercanía del sistema a la densidad crítica, en cambio, el coeficiente de difusión inducida no tiene una dependencia clara para los tamaños estudiados, pues esta dependencia se hace evidente sólo a tamaños muy grandes.

No description available.

Doctora en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / En esta tesis se presenta el estudio de suspensiones pasivas de esferas microm ́etri- cas y suspensiones activas de bacterias tipo Escherichia coli sometidas a un cizalle simple en el l ́ımite de bajo nu ́mero de Reynolds. Se estudian, por un lado, la auto- difusio ́n inducida por el cizalle en suspensiones pasivas de esferas, y por otro, en suspensiones mixtas de esferas pasivas y bacterias para distintas concentraciones de bacterias y esferas. Para modelar las bacterias se utilizo ́ un modelo de bacteria tipo cascabel en las suspensiones y para modelar a una bacteria sometida a fluctuaciones se utiliz ́o una bacteria infinitamente elongada. El trabajo desarrollado consiste en un estudio teo ́rico para el modelo de las bacterias y las ecuaciones de la hidrodin ́amica y por otro lado un trabajo num ́erico para realizar las simulaciones necesarias para el desarrollo de la tesis. Los resultados, en el caso de una suspensio ́n de esferas pasivas sometidas a un cizalle simple, muestran un proceso subdifusivo bastante complejo y extenso en donde las esferas experimentan distintas transiciones hasta llegar al r ́egimen difusivo, estas transiciones toman cada vez m ́as tiempo a medida que la concentracio ́n volum ́etrica de part ́ıculas disminuye. La difusividad var ́ıa como el cuadrado de la concentracio ́n lo que es acorde a los resultados encontrados para interacciones repulsivas de corto alcance. Adem ́as encontramos que el comportamiento subdifusivo es perdido cuando se agregan bacterias en la suspensio ́n, lo que permite que el proceso difusivo se logre ma ́s ra ́pido y sea mayor en el caso de una suspensio ́n mixta. La difusividad de las bacterias disminuye a medida que se aumenta la concentracio ́n de esferas y la difusividad de las esferas aumenta a medida que se agregan bacterias en el sistema. Por u ́ltimo, en la u ́ltima seccio ́n se presentan los resultados para el caso en que la suspensio ́n de bacterias es reemplazada como ruido ambiente en una suspensi ́on y se estudia el comportamiento de una bacteria sometida a ruido multiplicativo en presencia de un cizalle simple oscilante. En este caso se observa que la bacteria tiende a desplazarse preferentemente en la direccio ́n de vorticidad del sistema mostrando una variacio ́n en la intensidad de este desplazamiento con la intensidad de ruido aplicado, fen ́omeno conocido como resonancia estocástica.

Ingeniero Civil / Producto del enfriamiento durante la noche en lagos se produce a nivel superficial una delgada lámina de agua de mayor densidad, de la que comienzan a precipitar corrientes de agua más fría modificando la termoclina. Este fenómeno que se conoce como convección penetrativa y dicho proceso es gobernado por el equilibrio entre las fuerzas boyantes y fuerzas viscosas en presencia de un proceso de transferencia de calor en el fluido, descrito por cierto número adimensional conocido como el número de Rayleigh, Ra. La convección penetrativa constituye uno de los principales mecanismos de transporte de energía en el sistema acuático, lo que a nivel estacional genera cambios en la hidrodinámica interna de estos. Sin embargo, se conoce poco acerca del comportamiento de las plumas termales que se generan a nivel diario y de cómo estas pueden afectar la estratificación existente. Para ello se ha desarrollado una instalación experimental capaz de reproducir el fenómeno observado de manera equivalente, realizando ciclos de calentamiento enfriamiento en la base y no en la superficie como en los lagos. Para producir dichos ciclos, el sistema automatiza la entrada de agua caliente y fría al sistema generando variaciones sinusoidales de temperatura. Para visualizar el fenómeno se utilizó Particle Image Velocimetry o PIV, del que se obtienen campos vectoriales de las velocidades producidas por las erupciones termales, las que han sido verificadas mediante una comparación con el ajuste realizado por Moses et al. (1993). Se realizaron por otro lado experiencias con la columna de agua estratificada, encontrando que la variación de la posición de la termoclina, z_T, producto de las erupciones termales, sigue un comportamiento muy similar al de la onda de temperatura impuesta, salvo por un desfase entre el mayor valor de z_T y la temperatura máxima. Además se comprobó experimentalmente la teoría planteada por Ihle & Niño (2012) que relaciona el tiempo de inicio de la convección con una potencia del número de Rayleigh mediante una constante, cuya parametrización también ha sido corroborada.

Ingeniero Civil / El embalse Rapel fue construido en 1968 con el propósito de generación eléctrica, en la Región del Libertador General Bernardo O Higgins. Originalmente poseía una profundidad máxima de 85 m, pero actualmente la depositación de sedimentos ha elevado el fondo hasta los 55 m de profundidad. El embalse se forma por la unión de los ríos Cachapoal y Tinguiririca, que aportan el 86% de los caudales afluentes, con el estero Alhue. El embalse inunda una superficie máxima de 95 km2 y tiene una morfología dendrítica similar a una Y . La operación de la central hidroeléctrica está definida económicamente por el Centro de Descarga Económico de Carga (CDEC-SIC). Esto induce una operación que concentra las extracciones en los horarios puntas (operación hydropeaking) cuando la demanda energética es máxima. La central hidroeléctrica tiene una potencia instalada de 360 MW a través de la operación de 5 turbinas con una capacidad máxima de 110 m3s-1 cada una. El objetivo de esta tesis es estudiar los efectos de la operación hydropeaking de la central hidroeléctrica Rapel sobre la hidrodinámica de su embalse, mediante la combinación de mediciones en terreno y simulaciones numéricas llevadas a cabo por el modelo tridimensional Estuary, Lake and Coastal Ocean Model (CWR-ELCOM). La metodología llevada a cabo considera la toma de información en terreno a partir de una cadena de termistores ubicada en las cercanías del muro y el registro de información de velocidad y dirección del viento, temperatura ambiental y humedad relativa, entre otros, partir de una estación meteorológica. La serie asociada a las extracción de caudales para la generación eléctrica se obtiene con una discretización horaria a partir de los registros de energía producida registrados por el CDEC-SIC. Estos datos medidos en terreno se usan en la construcción de un modelo tridimensional del embalse utilizando CWR-ELCOM. El modelo es capaz de recrear la hidrodinámica interna de lagos y embalse, sujeto a los distintos forzantes ambientales y antropogénicas. Dos escenarios de operación fueron analizados: La operación real de la central con hydropeaking y un escenario ficticio en que se suprimen los peaks de descarga. Dos periodos de tiempo distintos fueron analizados, primavera/verano y otoño, lo que permite incluir en el análisis distintas condiciones estacionales y de operación. Se muestra que la ubicación de la termoclina esta determinado tanto por la profundidad de la toma de salida y de la magnitud de las descargas. Un análisis espectral muestra una fuerte correlación entre las extracciones y la excitación de las ondas internas, con un periodo preponderante de 24 h. Más aún, los efectos de la operación hydropeaking están restringidos a una región que se extiende hasta 5 km del muro, donde es posible observar una mayor capacidad de mezcla alrededor de la extracción y una dispersión horizontal menor. Se concluye que la operación hydropeaking tiene un impacto significativo en la hidrodinámica del embalse, lo que indica que la variabilidad de las extracciones durante el día debe ser considerada en los estudios de estos sistemas

Determina la hidrodinámica de la Bahía de Paracas mediante simulaciones numéricas con datos de mediciones en campo: perfiles de temperatura, salinidad y velocidad de corrientes, complementados con datos meteorológicos y de nivel del mar. Realiza las simulaciones numéricas con el modelo computacional – ELCOM 3D – (Estuary and Lake Computer Model). El modelo ELCOM utiliza principios hidrodinámicos y termodinámicos para simular el comportamiento espacial y temporal de cuerpos de agua semicerrados y estratificados sometidos a forzamientos físicos externos. EL modelo resuelve numéricamente las ecuaciones de Navier – Stokes y el transporte de escalares para un flujo no permanente, no viscoso e incompresible utilizando la aproximación hidrostática y de Boussineq. Aplica dicho modelo sobre una malla cartesiana rectangular con dx = dy = 150m, dz = 2m, con un paso de tiempo dt = 10s, el cual será forzado con series de tiempo de marea, velocidad y dirección del tiempo. Utiliza diferentes condiciones iniciales y de frontera en el modelo para analizar la capacidad de reproducir la dinámica física del sistema. / Tesis