Ingeniero Civil / Mediciones recientemente realizadas en la laguna Carén, ubicada en la comuna de Pudahuel, muestran que este cuerpo de agua somero tiene importantes variaciones intradiarias de la temperatura del fluido, debido a la dinámica producida por las condiciones atmosféricas de la zona y la estratificación natural propia de ambientes lénticos. El presente trabajo de título tiene como objetivo diseñar e implementar un modelo termodinámico para la estructura térmica de la columna de agua, que incluya el efecto de los sedimentos sobre un cuerpo de agua somero, con aplicación en la laguna Carén, y que además pueda reproducir la evolución de largo plazo (50-70 años), para lograr evidenciar los efectos del cambio climático. Para lo anterior se requiere estudiar cuál es el impacto que poseen estos sedimentos en las variaciones de la temperatura de una laguna de este tipo. Para esto, se formula un modelo unidimensional para la vertical que acople los flujos de calor entre los sedimentos y el agua que incluya la mayor cantidad de información acerca de esta laguna. Los resultados obtenidos muestran un flujo de calor importante a escala intradiaria con los sedimentos, además de un aumento en las temperaturas máximas anuales y una disminución en las temperaturas mínimas anuales para los últimos 69 años, tanto en la superficie de la laguna como en el fondo de esta. Adicionalmente se evidencia un descenso considerable con respecto a la evaporación tal como se determinó para el caso del salar del Huasco por de la Fuente y Meruane (2016). Estos resultados si bien prueban un efecto de cambio climático, deben considerarse con moderación pues el modelo es unidimensional y no considera el efecto de corrientes laterales.

Ingeniero Civil Mecánico / El fenómeno de transientes hidráulicos en sistemas de transporte de fluidos por cañerías es un aspecto que debe ser analizado en detalle por las empresas de ingeniería especializadas del área. A lo largo de las historia moderna se han registrado desastres a las instalaciones, las personas y las comunidades cercanas a estas conducciones como consecuencia de un diseño inapropiado. El presente estudio desarrolla una herramienta computacional (algoritmo) que predice la variación de presión y velocidad del fluido al interior de las cañerías en un sistema de transporte de fluidos monofásicos a larga distancia durante un evento transiente. En la actualidad existen distintos modelos que permiten predecir el coeficiente de fricción existente entre el fluido y la pared interna de la cañería, los cuales junto a las ecuaciones de conservación de masa y de movimiento, permiten calcular los valores de presión y velocidad del fluido en cualquier punto del sistema (componente espacial), y para cualquier instante de tiempo (componente temporal) luego de que el evento transiente, o golpe de ariete, se ha generado en el sistema. Sin embargo, estos modelos se han determinado analíticamente, o bien, realizando experimentaciones en sistemas de transporte de fluido de algunos cientos metros de largo, mientras que sistemas reales, como por ejemplo de transporte de agua de mar, alcanzan varios kilómetros de distancia, por lo que realizar una validación de los modelos del coeficiente de fricción existente entre el fluido y la pared interna de la cañería cobra gran importancia, ya que permite realizar un buen diseño de estas instalaciones en etapas tempranas de un proyecto de ingeniería. Para lo anterior, se desarrolló un algoritmo que resuelve las ecuaciones que gobiernan el fenómeno del golpe de ariete, utilizando el método de elementos finitos, y programando en el lenguaje de MATLAB. Se utilizó un escenario ficticio, el que está compuesto por un estanque con nivel constante del pelo de agua, conectado a una cañería de 5000[m] de longitud, y en el otro extremo una válvula de bola que cierra rápidamente. Este escenario corresponde a una extrapolación de los existentes en la literatura. Se concluye con este estudio que el modelo estacionario de perdida de energía por fricción es un buen estimador. Los resultados de presión obtenidos, si bien son conservadores en comparación con los modelos cuasi-estacionario y no-estacionario, son bastante precisos para utilizarlos en el diseño de sistemas de transporte de fluidos. Además, se observó que el modelo no-estacionario estima que se pierde más energía por roce entre el fluido y la pared de la cañería, que los otros dos modelos.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / El disipador de calor de canal con flujo espiral ha demostrado ser una alternativa prometedora para el manejo térmico de aplicaciones de alto flujo de calor, como electrónica y fotovoltaica concentrada. Temperaturas indeseadas son perjudiciales para el despempeño, la seguridad y la vida útil de estos dispositivos, por lo cual la investigación de tecnologías de enfriamiento de alto flujo de calor es una de las áreas de transferencia de calor con mayor actividad en la actualidad. En este trabajo se identifican estrategias eficientes para el aumento de la transferencia de calor en el disipador de calor de canal con flujo espiral estudiando la respuesta de las perturbaciones de temperatura frente a un forzamiento de momentum. Se presentan simulaciones numéricas de los campos de velocidad y temperatura estacionarios en el dispositivo para investigar el efecto de los parámetros de diseño en el desempeño termohidráulico. La rotación del fluido induce una componente de flujo cruzado, y se encuentra que esto aumenta considerablemente la transferencia de calor convectiva debido a movimiento del fluido hacia la superficie de intercambio térmico. En este estudio, se usa el marco de la teoría de estabilidad no modal para estudiar la estabilidad y receptividad del flujo estacionario en el canal de flujo espiral. Para este propósito, se formula un problema de perturbaciones lineales con un forzamiento armónico usando las aproximaciones de flujo local y paralelo. Al contrario del flujo de Poiseuille plano, se encuentra que el crecimiento transiente de las perturbaciones es pequeño, y por lo tanto, no juega un rol en el mecanismo de transición. La transición se le atribuye a la inestabilidad de flujo cruzado que ocurre por el cambio en la forma del perfil de velocidad debido a los efectos rotacionales. Se lleva a cabo un experimento de visualización de flujo y se encuentra una concordancia cualitativa entre los patrones de difusión observados y el número de Reynolds crítico predicho. La mayor amplificación en la respuesta de temperatura frente al forzamiento de momentum es presentada por vórtices y trazas longitudinales, seguidas por ondas viajeras radiales, y luego por ondas viajeras longitudinales. Se lleva a cabo un experimento para medir el desempeño del disipador de calor usando un flujo pulsante con frecuencias de forzamiento dentro del rango sugerido por el análisis de receptividad. Para obtener la misma temperatura de pared que en el caso sin pulsaciones, se observa una reducción de la potencia de bombeo de hasta un 26.6%, y usando la misma potencia de bombeo se obtiene un aumento del Nusselt de hasta un 10.3%. Este enfoque para identificar estrategias para el aumento de la transferencia de calor basado en física se puede extender a otras técnicas, por ejemplo, para seleccionar la longitud de onda en una superficie ondulada, la periodicidad de elementos de rugosidad, o la frequencia de vibraciones acústicas.

Ingeniero Civil / Los salares se ubican típicamente en la región altiplánica andina de Chile, Perú y Bolivia. Los sistemas acuáticos formados en ellos, corresponden usualmente a lagunas extremadamente someras, sometidas a condiciones ambientales desfavorables como bajo oxígeno atmosférico, alta oscilación térmica, alta radiación y fuertes vientos durante las horas del día. Estos ecosistemas están principalmente sustentados por la producción bentónica primaria, la que funciona como alimento para aves de la zona, como los flamencos, ave que se encuentra en estado vulnerable. Debido a lo anterior es que el trabajo de título realizado, consiste en la elaboración de un modelo hidrodinámico de la variación intradiaria de dióxido de carbono y oxígeno en el salar de Huasco, dinámicas que se ven afectadas por los flujos en la interfaz agua-sedimentos, los procesos biológicos de la columna de agua y los flujos en la interfaz aire-agua. El objetivo general es describir y cuantificar los procesos de transporte-reacción de dióxido de carbono y oxígeno en la zona, mediante la elaboración de un modelo hidrodinámico impermanente en 0D del salar, que permita obtener las evoluciones diarias para el oxígeno y el dióxido de carbono, para luego ser validado utilizando mediciones del terreno. El fin de la modelación es adquirir conocimiento acerca de estos fenómenos que pueden afectar considerablemente a los ecosistemas de la zona, únicos en el mundo, adaptados a condiciones climáticas extremas. Inicialmente se realizó un procesamiento de los datos obtenidos en dos campañas de terreno realizadas en los años 2015 y 2016, el que complementado con una revisión bibliográfica orientada a la hidro y biodinámica de sistemas someros, permitió plantear un modelo conceptual que simula las evoluciones intradiarias de dióxido de carbono y oxígeno. Luego se procedió a calibrar y validar el modelo con datos medidos, para finalmente realizar un análisis de sensibilidad que explique los procesos y parámetros más significativos del modelo. El principal resultado del trabajo, corresponde a un modelo que permite cuantificar las variaciones intradiarias de dióxido de carbono y oxígeno. Este modelo permite identificar que los procesos más importantes para el salar corresponden a la producción primaria, y a los flujos de masa en la interfaz aire-agua, tanto para el dióxido de carbono como para el oxígeno. En estos flujos se presentan inconsistencias entre lo que se sabe de la literatura y lo que se observa en el modelo, donde se presentan grandes diferencias entre las tasas de trasferencia en esta interfaz según el compuesto que se esté analizando.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniera Civil / El Lago Llanquihue se encuentra en la región de Los Lagos y es el segundo lago más grande de Chile (851 km2), con una longitud máxima de 42 km y una profundidad máxima de 317 m. El lago es monomíctico y la estratificación máxima se produce en los primeros días de febrero. Además, en verano la termoclina se encuentra a una profundidad de aproximadamente 40 metros. El tamaño de la cuenca es pequeña y sus principales afluentes son de pequeña magnitud, siendo el principal riesgo para la calidad de las aguas, el potencial impacto de las actividades generadas en el lago o sus alrededores, como lo son las pisciculturas y el vertimiento de residuos. Se estudió las ondas internas en el lago, ya que la importancia de estas ondas radica en energizar la dispersión horizontal y mezcla vertical, además de producir una variedad de procesos químicos, físicos y biológicos. Para esto, se simuló la hidrodinámica del lago Llanquihue con el modelo en tres dimensiones Delft3D-FLOW, entre agosto de 2014 y marzo del 2016, con el fin de estudiar las ondas internas afectadas por la rotación terrestre y conocer cómo afecta en ellas la variación de la estratificación térmica. El bajo número de Burger en el lago, igual a 0,1, indica que la rotación terrestre es importante y hace posible la generación de ondas internas Kelvin y Poincaré. Los datos de salida de la simulación fueron procesados mediante espectros de potencia rotacional, espectro wavelet y filtros pasa banda, con el fin de observar la variación estacional de las ondas. Los resultados mostraron que las ondas internas Poincaré, que dominan en la mayor parte del año, tienen un periodo cercano al inercial, siendo esta onda más intensa en el periodo de máxima estratificación en la zona del epilimnion, mientras que en tiempos previos a la estratificación máxima, la onda domina en el metalimnion. Por otro lado, luego de eventos de gran intensidad de viento, se presentan las ondas internas Kelvin, que se propagan en sentido horario por los bordes del lago, y su periodo varía de acuerdo al grado de estratificación. Además, luego de realizó una simulación con vertimiento de contaminantes, se obtuvo que su dispersión en el lago depende fuertemente de la estratificación.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva. Ingeniero Civil de Minas / En una planta de procesamiento de minerales el principal medio de transporte de material sólido se realiza por medio de tuberías. En este sistema se transportan partículas de diferentes tamaños cuya distribución es el resultado del proceso de conminución de esta planta. Si el líquido presenta una cantidad considerable de iones, como es el caso del agua de mar, tanto la fracción fina como la fracción gruesa pueden causar una alteración en la composición química de la fase líquida. Aunque este efecto depende del tipo de partículas a ser transportada. Por ejemplo, partículas como las arcillas pueden intercambiar especies inorgánicas y orgánicas con el líquido. En el presente estudio se busca evaluar el rol de la hidrodinámica y el contenido de arcilla en el intercambio iónico entre estas y la fase líquida durante el transporte de la mezcla en presencia de partículas gruesas en una tubería, usando simulaciones 2D. Para ello se utilizó un modelo de mezcla de la librería de OpenFOAM. En este modelo se resuelven ecuaciones de momentum para la fase gruesa y la fase líquida, mientras que para el campo de velocidad de la fase fina se generó una relación entre la velocidad del líquido y la velocidad de sedimentación de esta fase. Para cada fase y especie iónica presente en el líquido se resolvió una ecuación de transporte de masa. Se calculó la tasa de intercambio iónico para Ca(II), Na(I), Mg(II) usando un modelo cinético de la ecuación de Gaines-Thomas. Además, el flujo es asumido como turbulento, y por esta razón, un modelo k - epsilon es usado. Los resultados mostraron que la presencia de una distribución no homogénea de fino en la vertical, revela una transferencia de masa no homogénea de iones en esa sección de la tubería. En particular, la alta concentración de partículas gruesas cerca del fondo junto con velocidades bajas de la fase continua comparado con la sección media implica largos tiempos de residencia, como lo confirma los resultados numéricos. Además la mayor concentración de finos es encontrada en la parte superior producto de la sedimentación de las partículas gruesas. Ambos aspectos combinados, promueven altas tasas de intercambio de Ca-Na y Mg-Na en la parte superior e inferior de la tubería en comparación con el eje central de la tubería . Para un CEC igual a 70 meq/100gr de arcilla, un aumento de la concentración de finos de un 6% a un 10% en volumen, provoca un aumento en la fracción media de calcio intercambiada del líquido desde un 12% a un 26% para una velocidad media de 2 m/s. Otro aspecto relevante es la distribución inicial del CEC en las arcilla. Según los resultados, una arcilla alta en calcio no intercambia calcio desde la solución mientras que una arcilla alta en sodio si lo hace, alterando la distribución final de iones en las arcillas. Finalmente, en una planta de procesamiento de minerales, manipular los cationes en la arcilla permitiría controlar aspectos como la reología y la floculación, entre otros, y esta composición, como se observa en la simulaciones, depende fuertemente del tipo de arcilla y los iones presentes en la arcilla y en el líquido.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química. Ingeniera Civil Química / La contaminación de las aguas ha sido un problema de gran interés en la comunidad científica y política, tanto por afecciones a la salud humana, como por el impacto negativo en el medio ambiente. En Chile existen casos de contaminación de cuerpos de agua superficiales por altos niveles de nutrientes que llevan a la eutrofización de las aguas; uno de ellos es el lago Villarrica, ubicado en la Región de la Araucanía. El objetivo principal de este trabajo es realizar una simulación hidrodinámica y de calidad de aguas para el lago Villarrica, de manera de aportar, desde los modelos matemáticos, un sustento para la elaboración del Plan de Descontaminación del lago Villarrica. Se identificaron las fuentes de contaminación de origen antrópico que aportan nutrientes -nitrógeno (N) y fósforo (P)- al lago, determinándose que las principales son: RILes de pisciculturas, Planta de Tratamiento de Pucón, aguas domésticas residuales de Curarrehue, fosas sépticas de la ribera sur del lago y uso de fertilizantes en suelos de la cuenca. De éstas, las que entregan un mayor flujo másico de nutrientes al lago, son las pisciculturas. Se realizó una simulación hidrodinámica del lago Villarrica mediante el software Delft 3D, que permite resolver las ecuaciones de transporte de momentum, masa y calor, obteniendo el campo de velocidades y la temperatura asociada a las condiciones meteorológicas. Luego, se ejecutó una simulación de calidad de aguas, que considera las principales reacciones de los ciclos de N y P, para determinar la concentración de los nutrientes asociados a la eutrofización: amonio, nitrato y ortofosfato en diferentes zonas del lago. Se obtuvieron concentraciones menores a los datos tomados en el lago en el caso del amonio y ortofosfato, y mayores en el caso del nitrato, pero con distribuciones espaciales esperadas. Las medidas que compondrían el plan fueron evaluadas desde los puntos de vista: ambiental, gracias al modelo de calidad de aguas; técnico, mediante el estudio de factibilidad; y económico, comparando los costos de implementación entre ellas. Simulando las medidas en el modelo, se obtuvo que la más eficiente en la remoción de contaminantes es la reducción del flujo másico de RILes de pisciculturas (reduciendo en un 97% la concentración de amonio y en un 7% de ortofosfato). Posteriormente, se realizó un análisis multicriterio incluyendo los aspectos técnico y económico, logrando jerarquizar las medidas y concluyendo que las más efectivas bajo estos tres criterios son la restauración de vegetación ripariana y la reducción del flujo másico de RILes de piscicultura. Mediante este trabajo, se logró una primera etapa en el desarrollo de un modelo de calidad de aguas para el lago Villarrica en el contexto del Plan de Descontaminación, aportando al fortalecimiento de toma de decisiones de las políticas públicas desde una base científica.