Uno de los principales factores que modifica el transporte de sustancias en aguas someras es la presencia de fuertes cambios laterales de la sección transversal, los cuales generan zonas de recirculación de gran escala que intensifican los procesos asociados a la dispersión de masa. Además de los efectos físicos inducidos por estas zonas, ellas han mostrado una importante contribución a la generación de condiciones hidrodinámicas mejoradas para estimular el crecimiento de la flora y fauna acuática. Estas estructuras del flujo reciben el nombre genérico de zonas muertas y se pueden formar por modificaciones naturales o artificiales de la morfología. En este trabajo se presenta una descripción experimental de la estructura del flujo en zonas muertas formadas por una secuencia de bloques, para la llamada condición de flujo emergida. En esta condición de flujo, la cota superior del bloque es mayor a la del nivel de la superficie de agua y debido a esto el intercambio de masa y momentum ocurre solamente a través de la capa de corte generada en la interfaz entre la zona muerta y el flujo principal. Estudios anteriores han mostrado las características horizontales, normalmente en la superficie, y, debido a esto, la principal contribución de este trabajo es la descripción de la estructura vertical del flujo. Esta descripción es importante porque provee información relevante para la comprensión de la condiciones de flujo cercanas al lecho, donde ocurren gran parte de los procesos ecológicos. Este trabajo también contribuye con la descripción de las características cuasi-bidimensionales y tri-dimensionales de las zonas muertas, la identificación de estructuras coherentes, y la influencia de la distancia entre bloques en los procesos físicos que gobiernan el intercambio de masa y momentum. Para realizar los experimentos, uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo de una técnica sinóptica de velocimetría basada en el procesamiento de imágenes. Esta contribución experimental está basada en nuevas modificaciones de algoritmos para Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV), y en su integración en un algoritmo de dos etapas. La nueva contribución es llamada “Integrated Cross-Correlation / Relaxation Method”, ICCRM, y fue especialmente diseñada con el objetivo de ser una herramienta flexible para investigar flujos con gradientes de velocidad intensos y condiciones de sembrado de partículas no homogéneas. Los resultados experimentales obtenidos de la aplicación del ICCRM al flujo en estudio muestran que las estructuras formadas en la capa de corte que se produce en la interfaz entre el flujo principal y la zona muerta impactan periódicamente el bloque de aguas abajo con una distribución vertical de velocidad caracterizada por una magnitud máxima a media profundidad. El impacto con el bloque da lugar a un sistema de vórtices de eje horizontal, paralelo a los bloques, el cual es transportado hacia el interior de la cavidad. El flujo que penetra a la zona muerta energiza un sistema de circulación horizontal de una o más celdas, dependiendo de la razón de aspecto analizada (relación entre la longitud de los bloques y su separación longitudinal), con una estructura vertical bastante uniforme en términos de la velocidad media. Esto valida la suposición de flujo bidimensional en gran parte de la región de flujo al interior de la cavidad. Sin embargo, los parámetros representativos de la turbulencia (esfuerzos de Reynolds, pseudo-energía cinética turbulenta, espectros de energía, etc.) y las estructuras responsables del intercambio de masa entre la zona muerta y el flujo principal son claramente tri-dimensionales.

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.

Doctor en Ciencias, Mención Física / Esta tesis se dedica al estudio de las fluctuaciones de densidad, orden y de capilaridad en la vecindad de una transición de fase granular tipo sólido-líquido que ocurre en una monocapa granular vibrada de geometría cuasi-bidimensional. En la Parte I introducimos las bases teóricas del trabajo con los conceptos y definiciones que serán usadas para describir, analizar y discutir los resultados exper- imentales más adelante. En el capítulo 1 se repasan los modelos microscópicos más importantes usados para describir la materia granular. Además, se presenta una breve revisión sobre teoría cinética e hidrodinámica granular. El capítulo 2 aborda los conceptos escenciales para entender la teoría de las transiciones de fase, tales como la noción de un parámetro de orden y la definición de exponentes críticos. En la Parte II se presentan en detalle los montajes experimentales usados para estudiar el problema, junto con los métodos experimentales usados, en particular la detección de partículas y la detección de la interfase tipo sólido-líquido. En la Parte III, la cual a su vez está dividida en 3 capítulos, se presentan los resultados. En el capítulo 5 se presenta la descripción estática de la transición y su caracterización en términos de un parámetro de orden. Se muestra que esta transición fuera del equilibrio puede ser de primer o segundo tipo dependiendo de la altura de la celda y la densidad de llenado. Además, ésta se caracteriza por el parámetro de orden orientacional Q4. Cuando la transición resulta ser de segundo orden, la longitud de correlación asociada ξ4, el tiempo de relajación τ4, la susceptibilidad estática de Q4, la función de correlación de pares de Q4, y la amplitud del parámetro de orden obedecen leyes de potencias críticas, con saturaciones debido a efectos de tamaño finito. Con esto, la transición continua presenta un comportamiento crítico, con exponente dinámico z consistente con el modelo C de la teoría de fenómenos críticos dinámicos. Luego, en el capítulo 6 se presentan los resultados concernientes a las fluctuaciones de la interfase sólido-líquido. En particular se muestra que estas fluctuaciones resultan estar bien descritas por la teoría de ondas capilares, lo que permite medir la tensión superficial γ, y la movilidad M una vez determinada la energía térmica granular. También se presenta el comportamiento de la tensión de superficie como función del parámetro de control Γ, mostrando que para la transición continua esta disminuye a medida que el sistema se acerca al punto crítico, mientras que para el caso de la transición abrupta esta es aproximadamente constante. Finalmente, en el capítulo 7 se presentan los resultados obtenidos a través del estudio de funciones de correlación dinámicas. En particular, se encuentra la presencia de ondas en el sistema y se obtienen la velocidad de fase y de grupo, tanto de las ondas longitudinales como transversales. Las conclusiones y perspectivas para el trabajo futuro son presentadas en el capítulo final.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil / La eutroficación y florecimiento de algas es un problema común en lagos y embalses que reciben elevadas cargas de nutrientes en sus afluentes. Como consecuencia, se pueden generar incompatibilidades con algunos de los propósitos de los embalses, tales como consumo humano, riego o generación hidroeléctrica; así como también con las actividades recreacionales o deportivas que se desarrollan en torno a estos cuerpos de agua. El embalse Rapel, ubicado en la zona costera de la Región de O'Higgins, es un ejemplo de esta situación. Si bien se han realizado estudios relativos al diagnóstico de la calidad del agua, no se ha investigado completamente cómo se ve afectada la calidad del agua del embalse como consecuencia del esquema de operación que mantiene la central. Esto motiva la realización de esta tesis, cuyo objetivo principal es estudiar esta relación mediante el análisis de escenarios de simulación. Para ello, se utiliza el modelo ELCOM-CAEDYM, capaz de representar la hidrodinámica y calidad del agua del embalse.Por otro lado, se utiliza el modelo MIPUC que permite reproducir la labor del operador del sistema eléctrico de Chile central de coordinar el funcionamiento de corto plazo de las plantas eléctricas pertenecientes al sistema. Un total de veinte escenarios de simulación son definidos de acuerdo a dos criterios: condición hidrológica para el caudal afluente al embalse (año seco, normal o húmedo) y restricción de caudal mínimo en la operación de la central hidroeléctrica. Los resultados de las simulaciones son comparados por el grado de alteración hidrológica que imponen en el caudal aguas abajo del embalse, la energía generada por la central Rapel, variaciones en el nivel del agua del embalse y la concentración de clorofila-a en un eje central que recorre el embalse, desde la llegada del río Cachapoal hasta la presa. Los resultados de las simulaciones mostraron que la inclusión de un caudal mínimo ecológico en la operación de la central reduce la alteración hidrológica en el río aguas abajo de la presa. Por otro lado, las condiciones hidrológicas asociadas a un menor caudal entrante al embalse, resultaron ser las más sensibles al efecto del caudal ecológico, tanto en la variación del nivel como en la concentración de cianobacterias. En particular, se observó que el caudal mínimo más restrictivo resultaba en una mejora de la calidad del agua de las cubetas Cachapoal y Muro. Este resultado es consecuencia de un bajo nivel del embalse y de la concentración de sólidos suspendidos del afluente que generan una mayor turbidez a la entrada del embalse. Esto a su vez, limita el crecimiento del fitoplancton se tiene por tanto una disminución de la concentración de clorofila-a. Estos resultados muestran que cambios del esquema de operación de la central pueden afectar la calidad del agua del embalse de manera significativa, y plantea la inclusión de esta opción como una alternativa en el estudio de embalses existentes o en los estudios previos de proyectos de recursos hídricos futuros.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil, Mención Hidráulica Sanitaria Ambiental / El flujo de gases existente entre el agua y el aire puede llegar a tener una gran importancia en la regulación de ciertos componentes claves en la calidad del agua, o cobrar importancia en ciclos de compuestos biogeoquímicos. La tesis se enfoca en la cuantificación de la transferencia de oxígeno entre el aire y el agua cuando la superficie de ésta se encuentra bajo la presencia de oleaje, limitando así el estudio a gases de baja solubilidad en primera instancia. Esto concentra la investigación en la capa líquida del agua, dado que es donde está el control de la transferencia. Para esto se realiza un estudio experimental perturbando la zona líquida de dos formas: viento sobre la superficie y olas progresivas generadas mecánicamente en un estanque de agua. El objetivo es determinar la variable característica que permita describir el estado de perturbación de la superficie libre y cuantificar la tasa de transferencia de oxígeno asociada. Las experiencias contemplan la medición de los niveles de oxígeno en un estanque de agua, ubicado en un túnel de viento, combinando los forzantes del agua. Se imponen vientos medios entre 0 y 15 m/s mientras que las ondas mecánicamente generadas varían tanto su altura (entre 1 y 4 cm) como su frecuencia (entre 1 y 3 Hz). Para cada una de las experiencias se mide una serie de tiempo de la elevación del agua, la pendiente instantánea y el perfil de viento en 4 puntos del estanque. Para completar el perfil del viento se mide la velocidad superficial del agua grabando trazadores sobre la superficie con una cámara de alta velocidad. La tasa de transferencia de oxígeno al agua se determina considerando mezcla completa en el estanque. La cantidad de oxígeno disuelto en el cuerpo de agua se reduce al comienzo de las experiencias agregando sulfito de sodio. La recopilación de datos muestra que efectivamente se ha simulado un fetch mayor al real con la inclusión de ondas mecánicamente generadas. Uno de los resultados del efecto combinado de los forzantes de la superficie libre en su perturbación es el logro de una mayor uniformidad en los distintos parámetros medidos. Además, en función de la frecuencia y altura de las ondas mecánicas, el fetch puede correlacionarse con una frecuencia adimensional, usualmente utilizada en mediciones mar adentro. La tasa de transferencia de oxígeno a través de la interfaz aire-agua se estudia tanto para el caso de ondas mecánicamente generadas como para cuando se tiene el efecto combinado de éstas con el viento. En ambos casos se adimensionaliza dicha tasa con un valor proporcional a la celeridad de las ondas. Para el primer caso, se encuentran relaciones similares a las obtenidas en otros estudios, siendo la pendiente media de la superficie libre el factor determinante de la tasa de transferencia de oxígeno. Finalmente, para el segundo caso, se construye otros parámetros adimensionales que describan la tasa de transferencia apropiadamente. Estos son el número de Reynolds con la velocidad superficial como escala de velocidad y la elevación media cuadrática como escala de longitud; y una razón de aspecto de la elevación y la longitud de onda la que puede interpretarse como la pendiente media de la onda.

Ingeniero Civil / En la región altiplánica de la Cordillera de los Andes existen lagunas someras de algunos centímetros de profundidad denominadas salares; grandes extensiones de agua salada acotadas por una cáscara de sal en sus extremos como resultado de las altas tasas de evaporación. Diversas investigaciones han demostrado que la temperatura del agua puede variar en 20-30 °C en el día y que los sedimentos cumplen la función de reservorios, reteniendo calor durante el día y liberándolo en la noche, reduciendo de esta manera la oscilación termal diaria. La situación es determinada por procesos ocurrentes a ambos lados de la interfaz agua-sedimento (IAS), perspectiva que debe usarse al proponer modelos conceptuales. Sin embargo, raramente se considera en estudios y, de hacerlo, el calentamiento de los sedimentos por absorción de radiación solar no se analiza. La presente memoria toma como base Flow Solve , un modelo numérico del académico Kraig Winters (U. de California, San Diego) que utiliza el método espectral. El modelo se aplica a un sistema agua sedimento en que la capa superior de los sedimentos es calentada de manera periódica. Además, se estudia el orden de discretización espacial y temporal, así como la relación entre los números de Nusselt y Rayleigh. A partir de los resultados se concluye que existe una relación empírica exponencial entre el calor absorbido en la capa superior de los sedimentos (𝐻�����𝑠�����), la altura del cuerpo de agua (ℎ𝑤�����) y la frecuencia asociada a los periodos de evaluación (𝜔�����) y el número adimensional Π1 (que cuantifica el rol de los sedimentos en el balance de calor). La amplitud térmica es directamente proporcional al calor absorbido en los sedimentos elevado a un coeficiente de orden 0,6 , es decir, Δ𝑇�����𝑤����� crece sin cota a medida que aumenta el calor absorbido. En el caso de la curva Δ𝑇�����𝑤����� como función del periodo, la pendiente disminuye a medida que aumenta la duración de los ciclos, hasta estabilizarse. No se puede estimar la amplitud térmica para periodos superiores a los simulados. Para el caso de la altura de agua se aprecia una curva con pendiente decreciente. A medida que aumenta la altura del cuerpo de agua, la amplitud térmica tiende a 0°C, mientras que al disminuir ℎ𝑤�����, Δ𝑇�����𝑤����� crece sin cota. A partir de los 50 cm, Δ𝑇�����𝑤����� toma valores inferiores a 0,1 °C. La escala de longitud de Kolmogorov entrega resultados que permiten estimar satisfactoriamente la distancia vertical a definir entre puntos de la grilla. Sin embargo, en el caso del paso temporal, el usar un Δt del orden de la escala de tiempo de Kolmogorov puede asegurar que se consideren todas las escalas físicas del proceso, pero no implica que se cumplan las condiciones matemáticas necesarias para que el programa funcione correctamente. De este modo, el requisito dominante en el caso del tiempo viene dado por una expresión empírica. La relación entre los números de Nusselt y Rayleigh revela que el fenómeno de intercambio de calor en la IAS queda descrito por convección natural en una placa horizontal caliente a temperatura uniforme en régimen turbulento. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Fondecyt 1140821

Ingeniero Civil / El objetivo principal de este trabajo de título fue el de caracterizar mediante un análisis teórico y modelación numérica, las condiciones de borde aguas abajo de una cuña salina en un estuario y cómo estas condiciones alteran la longitud de la cuña. Para ello se comenzó con una revisión bibliográfica y recopilación de antecedentes para poder determinar las ecuaciones que describen en régimen permanente las alturas de escurrimiento del flujo estratificado a lo largo de un estuario, considerando un sistema simplificado con dimensiones uniformes. Luego se hizo uso del software de modelación ELCOM, el cual previamente fue validado comparando sus resultados con mediciones de sistemas naturales en los cuales existiese una cuña salina. Se dispuso para ello datos en Chile en el estuario del río Lebu y río Toltén. Se procedió a determinar cómo influyen distintas condiciones de borde costeras y la magnitud de éstas. Dentro de estas condiciones se estudió la magnitud de las corrientes oceánicas paralelas a la costa, la presencia de una barra lateral en la desembocadura del río, y la influencia de la velocidad del viento paralelo y perpendicular a la costa. Además, se realizó una modelación para incorporar el efecto de las mareas y analizar su influencia sobre la cuña salina. Como resultados, se plantean las ecuaciones que describen el sistema en régimen permanente considerando una cuña salina presente en un cauce el cual desemboca en un cuerpo de agua salada luego de sufrir un aumento abrupto en su ancho y profundidad. Se establece el supuesto de la existencia de una crisis en esta singularidad, con condiciones supercríticas aguas abajo de ésta, y luego pasar a tener condiciones subcríticas a través de un resalto hidráulico. Este supuesto se comparó con simulaciones numéricas, de lo cual se concluyó que efectivamente existe crisis y luego flujo supercrítico, sin embargo se descarta la presencia de un resalto o flujo subcrítico a menos que exista un control hidráulico aguas abajo que lo imponga. Además se obtienen resultados satisfactorios de la modelación realizada con ELCOM, al compararla con mediciones de sistemas reales. Por ello, con esta herramienta validada, se analizó la influencia del viento, mareas, corrientes oceánicas y angostamientos en la boca del estuario, y cómo éstas afectan la extensión de la cuña salina. Teniendo como resultados, que vientos en el sentido de escurrimiento del río aumentan la extensión de la cuña, mientras que para vientos en sentido opuesto y transversales al río reducen su longitud, que los niveles mínimos de mareas son los que determinan el comportamiento del alcance de la cuña salina, que a mayor velocidad de corrientes paralelas a la costa, menor es el tamaño de la cuña salina y que la longitud de la intrusión se ve disminuida fuertemente al existir un angostamiento en la boca del estuario. Finalmente se desea dejar establecido el modelo para poder ser aplicado a otros sistemas naturales de estuario en presencia de una cuña salina y poder predecir el comportamiento de estos, considerando la influencia de los distintos parámetros que influyen en las características del flujo y tener especial cuidado en los que son más influyentes.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere un asesor / Explica el estudio del diseño de las líneas del circuito de alimentación y retorno para la lubricación de los rodamientos para dar inicio al giro de los molinos Sag y Bolas en la unidad minera denominada Toromocho, ya que es de vital importancia tanto económica y operativa para el sector minero. Indica la descripción de componentes y equipos a ser instalados que forman partes del sistema, también se brindan datos técnicos como dimensiones y volumen. Se desarrolla los cálculos, selección del diámetro y pérdidas de carga de las líneas a instalar para los diferentes circuitos como alimentación y descarga que conforman el sistema de lubricación. / Trabajo de suficiencia profesional

Se puede dividir la presente memoria en dos grandes partes interconectadas entre sí y cuyo fin será la obtención de un diseño de reactor más eficiente, que los fabricados hasta el momento en la Universidad de Alicante, obtenido a través de diversos métodos de optimización que evitarán la construcción de muchos prototipos de prueba disminuyendo significativamente los recursos económicos que se deberán destinar para alcanzar este objetivo. Por otro lado, a lo largo de la presente memoria se irán empleando diversas técnicas y herramientas que serán puestas a punto para desarrollar la tarea de conseguir una optimización más rápida, eficiente y barata de esta clase de reactores.

Ingeniero Civil / La descripción y entendimiento de los procesos internos e interacciones físicas de sistemas ambientales acuáticos es una tarea en desarrollo para las ciencias medioambientales de hoy. Se estudia el ecosistema acuático Laguna Carén, ubicado en la Región Metropolitana de Chile, con el objetivo de realizar un análisis preliminar de su hidrodinámica y calidad del agua. Mediante la instalación y operación de una estación de monitoreo ambiental, que registró de manera continua temperatura del agua e información meteorológica de la zona, es posible caracterizar en el tiempo los flujos de temperatura en la columna de agua, centrándose en los forzantes principales de la laguna (viento y radiación neta). Con lo que se obtienen patrones de comportamiento de su densidad, energía, radiación neta, entre otras. Se complementan estos datos con los valores fisicoquímicos de una sonda multiparámetro CTD y un muestreo de las aguas de la laguna para una caracterización de su estado trófico en base a las concentraciones de nitrógeno y fósforo, en el Laboratorio de Calidad del Agua Gabriela Castillo. La estación se compone por boyas de medición continua en profundidad de temperatura, oxígeno disuelto y conductividad eléctrica y una estación meteorológica, situada en un sector aledaño a la laguna, que midió información respecto a radiación, humedad relativa, presión atmosférica, magnitud y dirección del viento. A partir de una revisión bibliográfica y de los recursos disponibles en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, se define el diseño y la periodicidad de registro del sistema de monitoreo. Finalmente, tras tres campañas de medición realizadas entre noviembre de 2016 y marzo de 2017 en la laguna, se denota un comportamiento de variación hidrodinámica diaria de sus aguas, donde se inicia el día con una mezcla completa de las aguas en la vertical, continúa con una estratificación en situaciones de viento calmo y/o flujo energético neto positivo y termina en mezcla completa nuevamente, debido a la disminución de los parámetros mencionados. Acorde a los muestreos realizados, la Laguna Carén se encuentra en un estado hipertrófico según indicadores de nitrógeno y fósforo. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto Fondecyt 1140821