A escala diaria, el viento es el principal agente externo que entrega la energía suficiente a un lago estratificado para generar el movimiento del fluido y mezclar la columna de agua. Bajo este escenario, la dinámica tridimensional del flujo puede ser correctamente representada mediante dos o más capas verticalmente acopladas, simplificación que ha permitido identificar una serie de fenómenos propios de flujos estratificados. Sin embargo, la característica multiescala de estos flujos limita su apropiada representación numérica o abstracción teórica, existiendo pocos trabajos científicos que abarquen toda la gama de escalas involucradas: desde las ondas de gran escala excitadas por el viento, hasta las pequeñas escalas dominadas por fenómenos nohidrostáticos. El objetivo de esta tesis es investigar la evolución nolineal y nohidrostática de las ondas internas en lagos estratificados cuya dinámica está afectada por la rotación terrestre. El trabajo se centró en estudiar el flujo en dos capas de lagos estratificados, combinando resultados de modelos numéricos específicamente diseñados para esta tesis, con un enfoque pseudo-espectral y mediciones en terreno. Como primera medida se estudió el caso simplificado de una cubeta circular de fondo plano, para posteriormente estudiar la dinámica de un lago real, el Lago Constance ubicado en la frontera entre Suiza y Alemania, para el que se cuenta con una base de datos proveniente de cadenas de termistores y estaciones meteorológicas. El análisis de la cubeta circular permitió identificar que la dinámica de cada una de las ondas continuamente forzadas por el viento puede asemejarse a un sistema oscilatorio de primer orden. La incorporación de los términos nolineales y nohidrostáticos eventualmente modifica esta dinámica oscilatoria, cuando la escala de tiempo de éstos es inferior a la escala de tiempo característica a la cual ocurren los intercambios de energía entre el cuerpo de agua y el viento. Adicionalmente, la manera en que evolucionan libremente las ondas de gran escala es dependiente de la onda en cuestión. Las ondas Kelvin evolucionan de igual forma a seiches en lagos pequeños, formándose un frente vertical donde las aceleraciones verticales dominan el flujo y excitan ondas tipo solitones pseudo-permanentes. Por el contrario, la evolución de la onda Poincaré está caracterizada por la radiación periódica de su energía hacia otros modos y su posterior restitución al modo original. Finalmente, la dinámica conjunta de las ondas Kelvin y Poincaré explica además, la excitación de ondas de menor escala. Estas características generales fueron también identificadas en el estudio del Lago Constance, cuya dinámica está gobernada por la rotación terrestre y los fenómenos nolineales y nohidrostáticos. Se mostró que la principal onda excitada por el viento es la onda Kelvin, que evoluciona de igual forma a la descrita para la cubeta circular. Adicionalmente, se identificó que la interacción entre ondas Kelvin y Poincaré excita trenes de ondas que atraviesan todo el cuerpo de agua, y que la interacción entre ondas excitadas por el viento permite energizar las ondas topográficas o geostróficas, que no necesariamente son excitadas directamente por el viento. Se concluye que la principal consecuencia de la dinámica nolineal y nohidrostática en lagos estratificados es que rompe con la coherencia espacial en toda la cubeta dada por procesos lineales, de manera que el flujo se caracteriza por la existencia de una serie de fenómenos locales de, por ejemplo, frentes verticales y alta velocidad del flujo. Consecuentemente, los fenómenos nolineales y nohidrostáticos fomentan localmente los procesos de mezcla vertical de la columna de agua, tales como: inestabilidades interfaciales dadas por altas velocidades del flujo y excitación de ondas nohidrostáticas de carácter permanente o cuasi-permanente que rompen al llegar a la orilla. Sin embargo, en términos de disipación de la energía, se postula a raíz de los resultados obtenidos en el lago Constance, que ésta se explica principalmente en la fricción con el fondo, la que responde también a aumentos localizados en la velocidad del flujo.

Esta tesis, consistente en una recopilación de artículos de investigación originales autocontenidos, se ocupa del estudio de los mecanismos físicos que explican algunas características de la dinámica de convección térmica con aplicación a convección penetrativa, frecuentemente observada en lagos y reservorios chilenos. Este fenómeno consiste en la aparición de un campo de flujo derivado del enfriamiento superficial de una masa de de fluido donde potencialmente puede existir una estratificación de densidad previa. Si bien este problema ha sido extensivamente estudiado empleando experimentos de pequeña escala (desde 1 mm hasta unos pocos centímetros), no es el caso para sistemas naturales de mayor tamaño, donde los flujos son comúnmente turbulentos y la dinámica asociada está además acoplada con perturbaciones espaciotemporales, incluyendo temperatura ambiente y vientos locales. El presente trabajo se ocupa de algunas de estas interrogantes, incluyendo las condiciones requeridas para la aparición de convección penetrativa bajo condiciones de borde térmicas que dependen del tiempo y suponiendo ausencia de viento. Primero, se consideró el caso más simple de un enfriamiento superficial repentino, modelado como una capa horizontal infinita, inicialmente en reposo, de fluido de Boussinesq. La siguiente fase de este estudio consistió en la elaboración de un modelo teórico simplificado, propuesto como una base para dar cuenta de la estabilidad de sistemas de pequeña escala frente a patrones de forzamiento térmico sinusoidales, buscando así un símil al efecto de enfriamiento vespertino o nocturno en lagos en los casos donde además hay turbulencia media nula antes del comienzo del flujo convectivo. Un segundo aspecto de este trabajo de tesis fue el estudio del efecto de la presencia de fuentes y sumideros térmicos cercanos. Para condiciones débiles de calentamiento y enfriamiento, se ha encontrado que el estudio de esta configuración es equivalente al estudio de la interacción entre plumas térmicas y corrientes de densidad en régimen laminar. Se ha perseguido los objetivos mencionados empleando una combinación de métodos, incluyendo simulaciones numéricas, técnicas analíticas de perturbación para el estudio de la estabilidad de los sistemas referidos modelados a través de las ecuaciones de Navier-Stokes y energía, además de la realización de experimentos. En este último caso, se propone una técnica de medición simultánea de los campos vectoriales de velocidad (usando PIV) y gradiente de densidad (usando schlieren sintético). La naturaleza inherentemente delicada de los experimentos llevados a cabo hizo necesario el desarrollo de sistemas de control ad-hoc. Como resultado de estas actividades, ha sido posible vincular las propiedades del fluido con parámetros adimensionales (incluyendo los números de Prandtl y Rayleigh), para dar cuenta de los tiempos de inicio de convección y frecuencia de forzamiento térmico en la superficie (entre otros). Del estudio de inhomogeneidades espaciotemporales, se encontró que las plumas térmicas bidimensionales laminares pueden sobrevivir el impacto con una corriente de gravedad modificando, sin embargo, su posición original.

A través de una actividad colaborativa, se trabajan diferentes conceptos del tema de fluidos en hidrodinámica e hidrostática. Se presenta el diseño de la actividad, así como el material para los alumnos.

El sur de Chile, en particular la X región, cuenta con importantes actividades de salmonicultura y mitilicultura. Estas dos actividades, principalmente orientadas hacia la exportación, representan una parte importante de la economía de esta región, y de Chile entero. Por ser muy ligadas estas actividades al mar, es importante para los productores conocer la circulación oceanográfica en el área de los centros de cultivo. En efecto, esto permite conocer la circulación de los nutrientes necesarios al crecimiento de los salmones o mejillones, de las floraciones algales y de los viruses nefastos a los peces y mariscos (mareas rojas y virus ISA por ejemplo). También permite conocer con anticipación las floraciones a venir, con el fin de tomar medidas de precaución para desplazar salmones y mejillones a aguas sanas. La primera etapa necesaria a este pronóstico de floraciones es la modelación de la circulación oceanográfica. En este trabajo se busca primero realizar una modelación suficientemente precisa de la marea y de las corrientes de marea en la región del mar interior de Chiloé con el fin de proveer la modelación necesaria a los propósitos de explotación mencionados anteriormente. En segundo lugar, con el objetivo de afinar aún más la calidad de la modelación, se pretende asimilar datos de radares HF en esa modelación.\nPara la modelación, se ocupa el modelo hidrodinámico Télémac, que discretiza les ecuaciones de aguas someras (o de Saint-Venant) por elementos finitos. Se ocupa como condiciones de borde los armónicos de marea del atlas global TPXO7, y un tiempo de spin-up para que el modelo llegue al regimen estacionario. El dominio que cubre la modelación es la zona ubicada en latitud entre Puerto Montt y Puerto Chacabuco, y en longitud, entre la costa y el océano profundo afuera de Chiloé. La malla tiene resolución variable, que va de 10km mar afuera a 250m en el canal de Chacao. Se escogió estudiar solamente el proceso dominante que es la marea, así que el modelo no está forzado con datos meteorológicos o con los caudales de los ríos que desembocan en la zona.\nEn cuanto a asimilación, se utilizan datos de corriente radial superficial en el Canal de Chacao. Se usa una metodología de filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) para asimilarlos. Para ello, se creó un conjunto haciendo variar el coeficiente de roce (también conocido como coeficiente de Chézy) sobre el fondo, y se buscó crear estructuras coherentes con las escalas de la batimetría. En el etapa de análisis, se ocupa el error (conocido) sobre las mediciones para generar un conjunto de mediciones. Esta etapa permite reducir la varianza del conjunto inicial. Se compararon los resultados entregados por la modelación en ausencia de asimilación con las observaciones de dos mareógrafos en Ancud y Puerto Montt, y se constató que se acercaban bien a las mediciones. Sin embargo, incertitudes sobre la batimetría entre otros impiden mejorar estos resultados aún más, sin recurrir a la asimilación de datos de corriente. Se pudo constatar que efectivemente, el EnKF permite al modelo acercarse más a las mediciones, lo cual es su objetivo principal. Pero otra conclusión interesante destaca. El coeficiente de roce medio después del análisis presenta una estructura coherente con la batimetría local: donde más irregular el fondo, y mayores los gradientes de batimetría, más roce, es decir, menor el coeficiente de roce. Sin embargo, quedan puntos en cuales la asimilación realizada se aleja de la teoría. En efecto, la teoría del EnKF prevé que la varianza de ensemble debe modelar el error entre el modelo y las observaciones, lo cual no es cierto en este trabajo. Además, una de las limitaciones principales de este método es el tiempo de cálculo que requiere: como hay que integrar cada miembro del ensemble, y que la malla que se ocupó tiene bastante puntos, esta etapa es muy larga. Esa limitación impidió hacer muchas pruebas con condiciones de marea distintas. Implementar exitósamente un modelo hidrodinámico y validarlo, como se hizo en este trabajo, es el primer paso para integrar después un modelo biológico, que es la etapa siguiente y crucial en el monitoreo y control de la producción de salmones y mejillones.

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Ingeniero Civil Mecánico / Para lograr el transporte de relaves en la minería del cobre a través de la accidentada geografía del norte de Chile, en algunos casos se opta por utilizar una configuración de canaletas y cajones disipadores. El propósito de los cajones es amortiguar caídas bruscas de elevación y cambiar la dirección del flujo. Estos sistemas de transporte en canaletas y cajones disipadores han sido estudiados en las últimas décadas obteniendo una metodología de diseño medianamente probada, que es el resultado de la experiencia adquirida en proyectos desarrollados en Chile. Sin embargo, la mayoría de estos estudios y los datos obtenidos son de carácter privado y no son del todo generalizables, dependiendo cada caso de las condiciones de operación y las características del relave a transportar. Se cuenta con datos de un cajón que presentó fallas en el pasado debido al desgaste acelerado provocado por un mal diseño. El desgaste es un tema fundamental a la hora de diseñar estos sistemas, debido a las características abrasivas del relave. Se quiere estudiar más en profundidad la fluidodinámica detrás del funcionamiento de este tipo de cajones, y en este contexto, una metodología que viene siendo desarrollada con gran fuerza en el último tiempo es la simulación computacional, la cual será aplicada en este trabajo. El objetivo del presente trabajo de título es analizar, mediante la simulación fluidodinámica computacional, el flujo de relaves de minería en un cajón disipador de canaleta, y su relación con el desgaste en las paredes. Para esto, se utilizará el software comercial CFX 14.0, parte de la suite ANSYS. Se generará un modelo 3D del cajón a estudiar, se realizará un análisis de sensibilidad de mallado y se simulará para cuatro caudales de operación distintos. Se analizarán los datos obtenidos, poniendo énfasis en variables de interés como la trayectoria del chorro, el campo de velocidades del relave y los esfuerzos de corte y presiones, tanto en el fondo como en las paredes del cajón. Se espera encontrar condiciones propicias para la aparición de desgaste acelerado, como altas velocidades y concentración de esfuerzos de corte cerca de la zona de desgaste observada en la realidad. Además, se propondrán modificaciones al diseño de acuerdo a los resultados y se simulará para las mismas cuatro condiciones de caudal que el caso base. Finalmente, se concluirá respecto de la fluidodinámica detrás de la disipación del chorro dentro del cajón estudiado y su vinculación con el desgaste observado, y de la efectividad de las modificaciones propuestas para este caso.

Magíster en Ciencias, Mención Mecánica / Hoy en día existe una necesidad creciente por mejorar las aplicaciones de la energía solar, en particular a través del uso de dispositivos a base de semiconductores. La base de la tecnología usada en las celdas fotovoltaicas es el dispositivo llamado junta PN. Por ende, una mejor comprensión y caracterización de los procesos físicos involucrados en dicho dispositivo ayudará a encauzar de mejor manera los esfuerzos para mejorar las prestaciones de las celdas fotovoltaicas. En los materiales a base de semiconductores los transportadores de carga eléctrica son los electrones en la banda de conducción y también los electrones de la banda de valencia. Cuando electrones dejan la banda de valencia (subiendo energéticamente a la banda de conducción) estados desocupados (hoyos) quedan en dicha banda. Desde el punto de vista de la modelación es más fácil describir el movimiento de hoyos que el de electrones en la banda de valencia. En esta tesis se estudió el flujo de transportadores de carga en una junta PN a través de un modelo hidrodinámico [2, 7, 16, 17, 30]. El cual incluyó la ecuación de Poisson, y leyes de conservación de masa y momentum para electrones y hoyos. Usualmente en el diseño de dispositivos a base de semiconductores se utiliza el modelo Drift-Diffusion (DD). Dicho modelo aplicado a la junta PN asume: (i) una zona vacía de transportadores cerca de la junta, (ii) equilibrio térmico, y (iii) que los efectos de las colisiones de los transporte son despreciable para el cálculo del transporte de carga. Dichas simplificaciones dejan de ser válidas para juntas pequeñas (del orden del micrón) [23]. El modelo usado en esta tesis supera estos supuestos y además entrega información acerca de la distribución espacial de las densidades y velocidades de electrones y hoyos en todo el dispositivo. Estas distribuciones no son entregadas por el modelo DD. El modelo propuesto fue resuelto con la ayuda del método de perturbaciones y algoritmos numéricos. Para su resolución las ecuaciones fueron adimensionalizadas. Se redefinió el número de Reynolds y la viscosidad cinemática para el flujo de electrones. Se estudiaron las distribuciones espaciales de la densidad de transportadores, campo eléctrico, potencial electrostático, y velocidades de electrones y hoyos para distintas configuraciones de operación y diseño. Se obtuvieron también las curvas de corriente versus el voltaje aplicado con y sin radiación incidente. Se concluyó que, las Juntas PN que en equilibrio (oscuridad y sin voltaje aplicado) tienen campos eléctricos más intensos son más eficaces para generar potencia útil cuando existe radiación. En este sentido, aumentos del dopaje, disminuciones de la temperatura del cristal, y una temperatura adecuada de electrones y hoyos favorecen la generación de potencia útil por parte de la junta PN. Se espera que esta nueva caracterización sirva como punto de partida de posteriores estudios térmicos de estos dispositivos.

Ingeniero Civil / En las zonas altas de los Andes del norte de Chile, Perú, Argentina y Bolivia se encuentran lagunas extremadamente someras, usualmente conocidas como salares, cuyo balance hídrico es determinado por afloramientos de agua subterránea y su posterior evaporación. Estas sustentan poblaciones de flamencos y otras especies, los que se alimentan del contenido orgánico que se encuentra en los sedimentos. El oxígeno disuelto (OD) es una de las sustancias que puede transportarse en las lagunas y es indicador de la actividad biológica en los sedimentos. Este se transporta horizontalmente producto de corrientes generadas por la interacción entre la distribución de batimetría de la laguna y los fuertes vientos que inyectan energía durante las tardes, lo que ha sido corroborado en experiencias de terreno. Con el propósito de desarrollar una herramienta de estudio y control de las lagunas, se implementan numéricamente las ecuaciones de continuidad y momentum bidimensional, promedio vertical para una capa, las que permiten resolver la dinámica del fluido ambiente. Estas se resuelven con las metodologías de Crank Nicolson y el Análisis Modal para el problema teórico planteado por Kranenburg (1992), el cual considera una distribución de batimetría idealizada excitada por un viento uniforme. En conjunto, se implementa un módulo de transporte escalar que permite resolver la dinámica del OD mediante volúmenes finitos, considerando consumo de OD en los sedimentos y transferencias con la atmósfera. Estos resultados se comparan con los obtenidos al suponer mezcla completa en la laguna. El módulo hidrodinámico de la herramienta numérica es validado experimentalmente mediante mediciones de velocidad realizadas con un velocímetro acústico Doppler en un contenedor que representa la batimetría de Kranenburg (1992) y que es ensayado en una mesa oscilatoria construida en el laboratorio de hidráulica Francisco Javier Domínguez de la Universidad de Chile. Los resultados muestran que la relación de aspecto de la laguna y el número de Wedderburn son los adimensionales que controlan la magnitud de la concentración promedio espacial de OD en el sistema. El estudio del transporte escalar muestra que la concentración de OD calculada con volúmenes finitos es en general mayor que la concentración de mezcla completa. Conjuntamente se obtiene que el supuesto de mezcla completa sobrestima los flujos de OD con los sedimentos en relación a los resultados del modelo. Las zonas más lentas de la laguna presentan las condiciones propicias para maximizar el consumo de OD, mientras que en las de mayor velocidad la advección horizontal neutraliza el consumo vertical. La instalación experimental y simulaciones numéricas ajustadas al resultado analítico del flujo en el problema de Kranenburg (1992), muestran que el coeficiente de fricción lineal varía con la magnitud del forzante externo, lo que es una característica fundamental de la formulación simplificada de las ecuaciones de flujo planteadas en este trabajo.

Un anillo de vorticidad es una región de fluido con forma toroidal, dentro de la cual existe vorticidad cuyo vector es tangente al círculo mayor del toro. El anillo, debido al impulso físico que lo produce, posee energía cinética que le permite auto-desplazarse en el espacio en la dirección resultante del producto cruz entre el vector radial del círculo mayor y el vector de vorticidad (tangente). El estudio de los anillos de vorticidad ha sido ampliamente documentado, realizándose investigaciones de estabilidad, transporte y mezcla. El presente trabajo cuenta con el apoyo del proyecto FONDECYT 1085020, el cual estudia el comportamiento de escalares pasivos en campos de velocidad generados por diversas estructuras. La serie de investigaciones desarrolladas en este marco, han abierto nuevas líneas de investigación, dentro de las cuales esta tesis nació del desafío de comprobar experimentalmente, la concentración de turbulencia en una región localizada del espacio, a partir de la interacción de estructuras laminares de bajo costo energético de generación. En esta investigación, se realizaron diversos montajes experimentales tendientes a estudiar la colisión de tres anillos de vorticidad en una configuración de 120° entre sus vectores de velocidad autoinducida. El primero de ellos consta de un sistema de generación triple tipo orificio, donde el campo de velocidad es medido con anemometría de hilo caliente. En una primera etapa se caracterizó un anillo individual, y luego se obtuvo el campo de velocidad durante toda la colisión a través de un barrido en el espacio. Sobre este mismo montaje, se inyectó humo como trazador en cada generador, obteniéndose imágenes CCD de un plano láser proyectado en distintos niveles de la colisión. El segundo montaje constó de un sistema de visualización tipo Shadowgraph, a través del cual se observó el proceso de transporte y mezcla de sustancias escalares, en la colisión de tres anillos de vorticidad en agua. Los experimentos realizados permitieron describir físicamente el fenómeno, gracias a los datos y observaciones cualitativas obtenidas. El campo de velocidad medido con anemometría de hilo caliente, indicó que los anillos de vorticidad tienen una trayectoria estable antes de tener contacto entre sí. Durante y posterior a la colisión, el campo de velocidad tiene pequeñas variaciones reflejadas en la dispersión de las zonas de mayor velocidad. La interacción de dipolos de vorticidad entre los anillos adyacentes, produce eyecciones de fluido observables en el aumento localizado de la velocidad y en la visualización CCD a través de humo. Por otra parte, las series temporales de velocidad permiten obtener un análisis de la densidad espectral de potencia, la cual fue calculada en distintos puntos de interés y para diferentes números de Reynolds. Las curvas de densidad espectral de potencia se desplazan hacia zonas de mayor frecuencia a medida que aumenta el número de Reynolds de los anillos colisionantes, mientras que la forma de estas curvas puede ser explicada a través de las series temporales de velocidad. Las imágenes obtenidas del sistema Shadowgraph permitieron observar con claridad el borde, el núcleo de vórtice y las líneas de flujo de cada anillo de vorticidad. Durante la colisión se observaron los acoplamientos de los dipolos de vorticidad y las eyecciones de fluido que provocan. Las zonas superior e inferior de los anillos interaccionan generando reconexión de los tubos de vorticidad. Producto de la reconexión, son generados nuevos anillos simétricos en dirección vertical, los cuales pudieron ser observados con mayor claridad al repetir el experimento con una sustancia escalar colorante. En síntesis, el trabajo describió con detalle el comportamiento de anillos de vorticidad bajo esta estructura de colisión, encontrando una interesante evolución espacial de la vorticidad y relaciones matemáticas coherentes en el ámbito energético. Para el futuro, surgen nuevas interrogantes como la colisión de más anillos de vorticidad en nuevas configuraciones, y la relación entre la trayectoria de un anillo y su gradiente de densidad con respecto al medio.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniero Civil / Los salares son extensiones planas de terreno formadas por la evapo-concentración de sales. Se localizan mayoritariamente en el Altiplano Andino, en la zona central de los Andes y son la base de ecosistemas altamente vulnerables, los cuales están sustentados por la producción bentónica primaria que en parte está controlada por los procesos de intercambio de calor, masa y moméntum entre la laguna y la atmósfera, los que han sido poco estudiados a la fecha. El objetivo del trabajo es analizar la variación intradiaria de los procesos termodinámicos e hidrodinámicos que ocurren en la interfaz aire-agua de la laguna principal del Salar del Huasco, en la Región de Tarapacá (20° 19'40'' S, 68° 51'25'' O, 3800 m.s.n.m.), y explicar los flujos de masa, calor y momentum entre la laguna y la atmósfera. Para ello, se llevaron a cabo dos campañas de mediciones en terreno en el Salar del Huasco, en las cuales, mediante un anemómetro sónico con sensor de gases incorporado, una estación meteorológica estándar y sensores en el agua; se midieron series de tiempo de velocidad viento, temperatura del aire y del agua, y radiación, entre otras variables. Las mediciones obtenidas mostraron periodos tranquilos de viento durante las noches y las mañanas variando a periodos ventosos después de mediodía, con velocidades que sobrepasaron los 12 m/s; la temperatura mínima en ambas campañas estuvo en torno a los -10°C y la máxima en torno a los 15°C; la evaporación media sobrepasó los 4 mm/día; y se observó la formación de hielo sobre la laguna durante las noches. El análisis de esta información se centró en la caracterización y cuantificación del efecto de las forzantes principales del sistema (viento y radiación de onda corta) en los procesos de transporte vertical de masa y calor entre la atmósfera y el agua, con énfasis en las parametrizaciones de la estabilidad atmosférica y rugosidad superficial. Además, el análisis de las mediciones de terreno permitió desarrollar dos metodologías para cuantificar la temperatura superficial de la laguna, basadas en perfiles no estables de temperatura atmosférica y el balance de energía superficial que considera una modelación de la formación y derretimiento del hielo. Estos resultados permiten estimar los coeficientes de transporte de masa y calor entre la atmósfera y la laguna, los que son útiles para comparar el sistema estudiado con otros sistemas similares, y obtener información de flujos turbulentos y de procesos de transporte. Se concluye que la principal forzante en los procesos de transferencia de masa, moméntum y calor es el viento, condicionado a la existencia de una interfaz aire-agua en la superficie, la cual a su vez está sujeta al balance de energía superficial en la laguna.