Ingeniero Civil / El presente trabajo de título es un estudio experimental acerca del fenómeno de la resuspensión viscosa de partículas bajo la acción de un flujo laminar inducido por un gradiente de presiones dentro de un conducto cerrado. Este fenómeno está presente en ciertas instalaciones industriales tales como sedimentadores de flujo inclinado o equipamiento de microfiltración. El objetivo principal del trabajo es verificar cómo se comportan algunos modelos físicos propuestos por otros autores para un flujo de Poiseuille, y proponer eventuales mejoras. Los experimentos se realizaron en un conducto cerrado, de paredes transparentes, con área transversal cuadrada, el cual se encontraba dentro de una cámara oscura y fue llenado con una mezcla de glicerina con agua y partículas esféricas de boyancia negativa a distintas concentraciones. Mediante la instalación de una cámara de alta velocidad normal a las paredes verticales e iluminación adecuada, fue posible medir un plano de intensidades de luz una vez que el fenómeno se encontrara en régimen permanente, a partir del cual se obtuvieron perfiles de concentraciones y alturas de resuspensión para distintas condiciones de alturas iniciales sedimentadas. Se realizaron experiencias para concentraciones en volumen entre 5% al 30% para lechos monodispersos y ligeramente bidispersos (d_max/d_min=1.4) y para caudales de mezclas glicerina-agua entre 3,2 y 10,8 ml/s. Al comparar los resultados experimentales de alturas de resuspensión viscosas con los teóricos, obtenidos con el modelo de Leighton y Acrivos (1986) y el modelo de Shauly et al. (2000) se determinó que el primero se ajustaba bien a los resultados empíricos para el caudal alto y razonablemente bien para el caudal bajo. Sin embargo, el comportamiento general puede considerarse aceptable si se considera que el modelo de Leighton y Acrivos no contiene parámetros ajustables. Por su parte el modelo de Shauly et al. no se ajustaba bien a los datos experimentales, pero contiene una constante empírica K, la cual originalmente fue calibrada para flujos de Couette en geometrías anulares. Mediante un análisis dimensional y posterior calibración con los datos de la presente memoria, se obtuvo una relación entre el coeficiente K, la concentración en volumen de partículas ϕ_s y el número de Shields modificado, Ψ, que representa la relación entre fuerzas viscosas y gravitatorias sobre las partículas. Con el coeficiente K, expresado en función del flujo se obtuvieron buenos ajustes teórico-experimentales para el modelo de Shauly et al., inclusive mejor que para el modelo de Leighton y Acrivos. En cuanto a los perfiles de concentración, los resultados basados en ambos modelos presentan diferencias apreciables al compararlos con los resultados experimentales. Las alturas de la interfaz del material resuspendido obtenidas a partir de perfiles de velocidad predichos por los modelos de Leighton y Acrivos y Shauly et al. concuerdan con las medidas en los experimentos de esta memoria, así como los perfiles de velocidad obtenidos experimentalmente por Schaflinger et al. (1995) en una geometría similar.

Dentro del contexto del proyecto FONDECYT 1040494 “Turbulencia y Transporte en la capa límite béntica de Lagos y Estuarios, Estudio de Terreno y Modelación”, se propuso realizar un estudio acerca del comportamiento de la capa límite béntica en estuarios, en términos del transporte de solutos entre los sedimentos del fondo y la columna de agua, para lo cual es indispensable construir una instalación experimental.

Ingeniero Civil Mecánico / Los descansos hidrodinámicos son componentes que sirven de apoyo para ejes en maquinarias rotatorias sometidas a altas exigencias. El principio de funcionamiento se funda principalmente en una porción de eje sumergida en un film de aceite a presión, el cual sirve de soporte, lubricante y amortiguador para las grandes vibraciones a las cuales están sometidos. La dinámica de estas componentes es bastante compleja, dado el inestable comportamiento del film de fluido, pero es vital su comprensión para mejorar su desempeño y alargar su vida útil. La obtención de los parámetros de rigidez y amortiguamiento mediante prototipos experimentales resultan ser la mejor manera de simular la dinámica de éstas componentes para su diseño, pues modelos numéricos y analíticos, si bien arrojan resultados aproximados, no han logrado ser netamente confiables. Este trabajo consistió en el desarrollo de un método para identificar experimentalmente los coeficientes de amortiguamiento y rigidez de un descanso hidrodinámico mediante un método de modelamiento inverso basado en algoritmos genéticos. El sistema rotor se modela mediante el método de elementos finitos. A diferencia de otros métodos de optimización, los algoritmos genéticos son bastante más estables y si están bien definidos pueden converger al óptimo global. Los datos son adquiridos de un rotor experimental, el cual posee un descanso hidrodinámico con bomba de aceite y cuatro sensores de desplazamiento, usados para medir la respuesta del sistema a fuerzas externas ejercidas por dos excitadores electrodinámicos. Este montaje se encuentra en el Laboratorio de Sólidos y Vibraciones de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para la obtención de los coeficientes del descanso, se varían distintos parámetros operacionales, como velocidad de rotación del eje, presión de aceite y magnitud y frecuencia de las fuerzas externas. Se obtuvieron resultados que mostraron tendencias interesantes. La rigidez y amortiguamiento del descanso varían con la velocidad de rotación del eje y con la presión. Se observa también que varían su comportamiento frente a la frecuencia de excitación. Donde no se percibieron tendencias claras fue para la variación de la magnitud de las fuerzas. En conclusión, con el método propuesto se logró determinar los coeficientes satisfactoriamente, mostrando claras tendencias y evolución de éstos bajo distintas condiciones de operación en el rotor y en el descanso.

Doctor en Ciencias, Mención Física / Los solitones hidrodinámicos no propagativos son estructuras no lineales localizadas que aparecen en la superficie libre de un líquido cuasi-unidimensional que está sujeto a cierto tipo de inyección de energía, en particular, vibraciones verticales. En cierta región de parámetros, esto es a una amplitud y frecuencia específicas de vibración, la interfase desarrolla una onda transversal localizada que puede identificarse como la modulación del primer modo transversal de la superficie bajo una envolvente longitudinal con un rápido decaimiento espacial. A diferencia de los típicos solitones hidrodinámicos, este tipo de onda no se propaga. Su aparición además es no espontánea y debe ser inducida perturbando la superficie de tal manera que el movimiento sea similar al del solitón. A pesar de que algunos avances se han realizado en la comprensión de los procesos físicos de los solitones hidrodinámicos no propagativos, aún quedan muchas preguntas que no han sido resueltas. En particular, la dinámica de estas estructuras en escalas temporales lentas, como la deriva de solitones bajo la inclinación de la celda, la interacción con las paredes laterales, la interacción de a pares y la dinámica de los sistemas de múltiples solitones; no se han descrito adecuadamente en la literatura. Es más, la hidrodinámica subyaciente de un solo solitón predicha por la teoría, así como otros procesos hidrodinámicos de mayor complejidad, jamás han sido validados experimentalmente. El objetivo de esta tesis ha sido investigar estos temas de manera más profunda tanto desde un punto de vista experimental como teórico. El marco teórico que se presenta está basado en un análisis débilmente no lineal derivado a partir del principio variacional para ondas de superficie en fluidos ideales contenidos en celdas cerradas de profundidad constante. Este cálculo lleva a una ecuación de amplitud para la envolvente del primer modo transversal donde el forzamiento vertical puede ser fácilmente incorporado. Además, es posible estimar un coeficiente de disipación para las ondas a partir de las capas límites cerca de las paredes, el fondo y la superficie libre. El resultado final es la ecuación de Schrödinger no lineal con forzamiento paramétrico y disipación, la que además describe adecuadamente el comportamiento del solitón. Por otro lado, se llevaron acabo medidas experimentales en varias celdas rectangulares de acrílico llenas de agua. Las celdas estaban unidas a un vibrador electromecánico que oscilaba con una señal sinusoidal pura. Se utilizaron tres métodos experimentales distintos para la caracterización de las deformaciones de la superficie libre como del campo de velocidades subyaciente: medidas locales de nivel de fluido, reconstrucción de perfiles a través de imágenes y velocimetría de partículas por imágenes. Los resultados de esta investigación revelaron que los actuales modelos no explican adecuadamente ciertos comportamientos específicos de los solitones no propagativos. Los experimentos mostraron que, de hecho, los solitones se propagan muy lentamente hacia una posición específica que depende del ángulo de inclinación. El modelo también ha sido mejorado incluyendo un término que reproduce el acoplamiento observado del solitón con las paredes laterales, lo que permite que los solitones sean repelidos y no sólo atraídos por las paredes. Las medidas del campo de velocidades producto del acoplamiento viscoso, mostraron un comportamiento que no había sido antes documentado. Se incluye asimismo un análisis teórico con evidencia experimental del mecanismo de coalescencia de un estado conformado por múltiples solitones que puede ser caracterizado con una ley de escalamiento espaciotemporal autosimilar.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Desde hace más de un siglo se ha estudiado el flujo en el intersticio entre dos cilindros que giran a velocidades angulares independientes. Las condiciones naturales de simetría en el caso en que los dos cilindros son coaxiales permitieron obtener campos analíticos de presión y velocidad (que se utilizaron para determinar la viscosidad de los fluidos), modelar la formación de estructuras vorticiales para ciertas configuraciones y describir en general el sistema. Hasta la fecha no se ha encontrado bibliografía con referencia a haber liberado esta condición de coaxialidad. En este trabajo se estudia un sistema tipo Taylor-Couette pero con el cilindro interior libre, es decir, acoplado al cilindro externo sólo por el fluido. Para esto, se construyó un montaje experimental que controla la velocidad de giro del cilindro externo, y se midió el flujo interno y el comportamiento del cilindro interno. Además, se hacen modelaciones numéricas del sistema. Se encontró que el sistema establece 4 regímenes para diferentes velocidades de excitación, de los cuales 3 ya habían sido reportados para esferas pequeñas en flujos rotatorios. El cuarto régimen, corresponde a la levitación estable del cilindro interno en el flujo, este trabajo se centra principalmente en la descripción de este régimen. Se hicieron PIV y simulaciones numéricas del flujo tridimensional del sistema en el régimen de levitación. En las secciones donde no hay intersección con el cilindro interno se encuentra un flujo tipo rotación sólida y en el resto un flujo compuesto por 3 circulaciones principales. La posición de levitación queda caracterizada por un radio de equilibrio, que depende exclusivamente de la geometría del sistema, y una posición angular que varía con la masa y la velocidad de excitación del sistema. Para velocidades de excitación relativamente bajas, la velocidad angular del cilindro interno es opuesta a la velocidad del cilindro externo y para velocidades mayores de excitación, el cilindro interno deja de rotar.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Las variables físicas de suelos parcialmente saturados son poco conocidas y utilizadas en experiencias de lixiviación de minerales. El propósito de este trabajo consiste en analizar el comportamiento hidrodinámico al interior de columnas de lixiviación a través de simulaciones en SVFlux y experiencias en laboratorio, evaluando las principales variables de suelos parcialmente saturados para un mineral de óxidos de cobre con características similares a las observadas en pilas de lixiviación, para luego proponer un modelo matemático para estimar el proceso de saturación. Los parámetros y variables del suelo son estimados a partir de ensayos en laboratorio y ecuaciones empíricas reportadas en literatura, destacando entre éstas la obtención de la curva de retención de agua (SWCC) a partir de la curva de distribución de tamaño de partícula (PSD). Las experiencias en laboratorio consisten en la lixiviación y caracterización del mineral de cobre. La lixiviación se realiza en columnas de vidrio de diámetros de 20, 40 y 80 mm, con igual altura y tasa de riego, utilizando condiciones externas similares a las encontradas en pilas a nivel industrial. El monitoreo consta de mediciones periódicas de la capacidad de retención observada para cada columna. Las simulaciones realizadas integran los parámetros obtenidos experimentalmente en búsqueda de tener resultados similares a los conseguidos en el laboratorio. Las experiencias en laboratorio muestran que la saturación en columnas se lleva a cabo de forma longitudinal y transversal a éstas, teniendo un proceso de saturación asintótico que logra un máximo similar entre columnas en el que solo difieren en el tiempo en alcanzar dicha condición, siendo éste menor para columnas de menor diámetro. Las simulaciones realizadas muestran valores cercanos a los obtenidos experimentalmente pero con menores tiempos en alcanzar dicha condición, donde no es posible observar el efecto del diámetro de columna observado experimentalmente. El rango de succiones registradas en simulaciones muestra que el proceso de lixiviación observado ocurre en una zona de la curva SWCC distante a las condiciones de un suelo saturado. El modelo propuesto para la saturación muestra un buen ajuste tanto para resultados experimentales como computacionales.

Tesis para optar al grado de Magister en Ciencias de la Ingeniería, mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / Los canales y fiordos australes de Chile son propensos a eventos de proliferación de algas. Un mecanismo que da pie a la generación de estos eventos es la mezcla vertical, la cual transporta nutrientes desde aguas profundas a zonas más someras, generando mayor disponibilidad de nutrientes para los procesos fotosintéticos de las microalgas, lo que permite su proliferación. En un cuerpo de agua estratificado, el perfil de densidad controla el proceso de mezcla vertical, por otra parte, la circulación es controlada por los forzantes y a su vez modifica la estructura de densidad, alterando el régimen de mezcla. Por lo tanto, caracterizar y predecir correctamente la estratificación y la mezcla vertical podría ayudar en el pronóstico de escenarios propensos a eventos de proliferación de algas. Durante el mes de enero de 2014 se realizó una campaña de mediciones en el fiordo Comau (42º22'S, 72º25'W), región de los Lagos, Chile. Éste es un sistema estuarino angosto, de 34 km de largo, con una profundidad media de 350 m. En la campaña se efectuó un monitoreo de la estratificación y variables hidrodinámicas del fiordo utilizando un sistema de medición autónomo diseñado para este propósito. La estratificación se caracterizó con mediciones continuas de temperatura y conductividad a diferentes profundidades y con perfiles diarios de estas variables con una sonda multiparámetro, la cual permitió la medición adicional de fluorescencia asociada a clorofila-a. El campo de velocidades en los primeros 23 m se registró en diversos periodos con un medidor acústico de corrientes ADCP. Por otra parte, se realizó una descripción de los procesos de mezcla vertical mediante un modelo 1D vertical con un cierre turbulento tipo k-ε. Al modelo se le incorporaron los efectos de presiones horizontales barotrópicas inducidas por la marea y baroclínicas inducidas por el viento, las cuales fueron incorporados mediante series de tiempo de gradientes de presiones. Estos gradientes fueron incorporados como términos fuente en las ecuaciones de momentum del modelo. Los resultados de la campaña de terreno indican la presencia de una capa superficial de agua dulce y otra profunda de agua salada con una interfaz de densidades abrupta y somera localizada a 5 m de profundidad y una corriente superficial con una velocidad promedio de 5 cms-1. La variación temporal de la estratificación muestra una correlación con el forzamiento por viento. Los resultados de modelación, que incluyeron los gradientes de marea y circulación baroclínica inducida por el viento, arrojaron una mejora de un 10 % con respecto al caso sin gradientes. Adicionalmente, se realizó una validación en términos de transporte de masa que muestra una relación de los coeficientes asociados a la mezcla vertical del modelo modificado con la distribución vertical de microalgas que concuerda con los resultados de otros experimentos de campo. Los resultados indican que la circulación baroclínica inducida por el viento podría estar modulando la mezcla vertical en el fiordo Comau.

Magíster en Ciencias, Mención Física / En el proceso para entender el flujo granular en diferentes sistemas ha habido diferentes acercamientos desde la hidrodinámica clásica, la teoría cinética y la teoría de fluctuaciones hidrodinámicas, de modo de obtener ecuaciones tipo hidrodinámica que describan de modo preciso el movimiento de la materia granular en diferentes regímenes. En este trabajo, como punto de partida, se utiliza un enfoque de "grano grueso" (coarse graining) desarrollado inicialmente por Goldhirsch, Zhang y Berringer, para luego ser extendido y utilizado para analizar sistemas bidimensionales y tridimensionales con granos con densidad de masa uniforme, sin dispersión en tamaño, sin grados de libertad rotacional y choques instantáneos. Al margen de estas consideraciones, ninguna otra aproximación relacionada con el estado del sistema (densidad de número, energía, mecanismos de inyección) ha sido utilizada para definir diversas cantidades y derivar un conjunto de ecuaciones de balance para las densidades de masa, momentum y energía. A partir de ellas, e imitando a las ecuaciones de Navier-Stokes, se extraen a su vez otras definiciones de cantidades relevantes. Todas ellas, cantidades definidas, cantidades derivadas y ecuaciones, se han medido en sucesivas simulaciones numéricas de dinámica molecular en 2 y 3 dimensiones. Se ha observado que la metodología utilizada tiene ventajas sobre otros métodos, como por ejemplo la suavidad de la descripción continua de un grano abandonando una celda y la medición precisa de los campos hidrodinámicos locales. Las ecuaciones obtenidas se mantienen consistentes independientemente del tamaño de la celda de medición local, intervalos de tiempo de medición, alta densidad y energía local. Este método es consistente incluso con un número muy reducido de granos en el sistema, tanto en 2 como 3 dimensiones. Esta formulación permite obtener una definición para el tensor de presión que proviene de las ecuaciones de balance de momentum sin otras consideraciones geométricas y, a través de la aproximación de Green-Kubo, obtener un coeficiente de viscosidad de cizalle local. La presión medida en simulaciones numéricas, sin embargo, evidencia diferencias significativas con resultados conocidos en la literatura y esto afecta directamente el cálculo de la viscosidad de cizalle. Estas diferencias se han asociado a problemas intrínsecos con la definición de presión obtenida. Se discuten algunas soluciones a este problema y consideraciones adicionales a las ecuaciones de balance.

Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio es inspirado en el Pingüino Emperador (Aptenodytes Fosteri) quien es capaz de almacenar burbujas alrededor de su cuerpo y liberarlas para para aumentar drásticamente la velocidad de nado, y así salir eyectado desde el agua a la superficie. Este fenómeno es conocido como lubricación con aire, el cual permite al pingüino reducir momentáneamente el arrastre ejercido por el medio acuoso. Se estudia el fenómeno de lubricación con aire para cuerpos sólidos sumergidos en agua en movimiento. El objetivo principal es cuantificar el efecto de inyectar aire continuamente a la obra viva de un barco en movimiento, para ello. Se utilizan simuladores CFD para evaluar dinámicamente un barco navegando a 10 velocidades diferentes, analizar las fuerzas de arrastre ejercidas por el medio y repetir la experiencia en presencia con un inyector de aire continuo en la proa. Comparar los resultados obtenidos para concluir si el efecto de lubricación con aire provoca alguna reducción del costo de transporte necesario para mantener navegando a velocidad constante del modelo mediante simulaciones. Los modelos consisten en la simulación de un corte horizontal de la obra viva de un barco que se mueve a esa velocidad constante, con el fin de estudiar las fuerzas de reacción de las paredes del modelo, siendo estas de igual magnitud que las fuerzas de arrastre ejercidas por el fluido. Se espera que esta fuerza de reacción de las paredes sea menor en presencia de lubricación con aire. La validación se realiza mediante dos etapas, la primera es verificando que los resultados obtenidos sean independientes del tamaño del volumen de control, finesa del mallado y tiempo de simulación. Esto se logra mediante varias simulaciones que permiten ver que la diferencia entre resultados no supera el 5%.La segunda etapa de validación consiste en evaluar dos aproximaciones con fundamento bibliográfico que permiten estimar preliminarmente los resultados. Se considera que los modelos son válidos cuando los resultados obtenidos en la simulación se encuentran dentro de los márgenes teóricos impuestos. De los modelos estudiados se observa que en presencia de inyección de aire se genera un efecto Magnus, el cual hace que el fluido aumente su velocidad parcialmente al rodear las burbujas. Este aumento de velocidad trae con sigo una disminución en el grosor de la capa limite y aumento parcial de los esfuerzos que se concentran en las paredes que no están cubiertas por aire, sin embargo esto se compensa debido a que las secciones cubiertas con burbujas reducen drásticamente la fuerza de reacción en dicha zona. Se obtiene como resultado una disminución promedio de 19,3% en el costo de transporte de los modelos que presentan inyección de aire continua con respecto de los modelos que navegan sin lubricación con aire.

El Tornillo de Arquímedes o Tornillo sin fin, tiene un gran número de aplicaciones como transportador y dosificador, elementos de transmisión usándolo junto a una corona, bomba de Tornillo y para generación de energía eléctrica. El uso para la generación de energía eléctrica es reciente; Se tiene como proyectos más representativos los implementados en la reforma al Dique del Río Tess y el proyecto Morden Hall Park, ambos implementados en Inglaterra en el año 2012. La aplicación del Tornillo de Arquímedes para la generación de energía eléctrica se presenta como una alternativa importante para aprovechar los recursos hídricos a pequeña escala, en centrales pico y mini hidroeléctricas, y en recursos hídricos como pequeños ríos o canales de regadío con saltos de agua menores. La presente tesis consistió en el análisis energético de un Tornillo de Arquímedes para la generación de energía eléctrica capaz de implementarse en un canal de regadío con un caudal de agua de 2 m3/s y un salto de 2 m, a modo de caso de estudio. Para realizar el análisis energético se recopilo información acerca del rango de operaciones de las tecnologías existentes para centrales hidroeléctricas, se establecieron consideraciones previas, se realizaron cálculos de diseño de los elementos del sistema y se seleccionó los equipos necesarios para la fabricación e implementación de un Tornillo de Arquímedes en las condiciones mencionadas. Al finalizar el desarrollo de esta tesis, se obtuvo información que demuestra técnicamente la viabilidad del uso de un Tornillo de Arquímedes para aprovechar fuentes hídricas de baja escala. Bajo las condiciones del caso de estudio se ha obtenido una potencia de 26 kW y eficiencia total del sistema de 76%. Adicionalmente, se deben tener consideraciones técnicas para el correcto funcionamiento tales como: la necesidad de usar una caja multiplicadora de velocidad por la baja velocidad de funcionamiento del Tornillo de Arquímedes y el uso de un árbol de transmisión hueco por las dificultades que representaría utilizar un árbol macizo, para esta aplicación. / Tesis