No description available.

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.

No description available.

Ingeniero Civil / La gran minería en Chile y el mundo ha facilitado la generación de una extensa cantidad de materiales granulares mineros tales como relaves, lastres, y ripios post-lixiviación, entre otros, los cuales han dado pie a importantes iniciativas de investigación. Sin embargo, aún existen temas relevantes como la rotura de partículas generadas en estos materiales que no han concitado una debida atención. Por ejemplo, un tópico sumamente significativo en minería subterránea de Block Caving es el proceso de fragmentación de la roca, en la cual el macizo rocoso es hundido desde su interior, permitiendo la generación de materiales quebrados; bloques colpas, bolones, gravas y arenas. Estos materiales continúan un nuevo proceso de fragmentación (fragmentación secundaria) debido al movimiento descendente del material quebrado al estar siendo removido desde puntos de extracción. Esto trae consigo una serie de configuraciones de esfuerzos de compresión y corte a lo largo de la columna descendente de material. Así, el proceso de fragmentación secundaria tendría muchas similitudes al fenómeno de la rotura de partículas en materiales granulares. Aunque este último tema ha sido estudiado durante décadas por diferentes autores tales como Lee y Farhoomand (1967), Vesic y Clough (1968), Marsal (1973) y Hardin (1985) entre otros, estudios de este tipo que incluyan materiales quebrados o materiales granulares generados de proyectos mineros son muy escasos (D Espessailles 2014). Para profundizar en el entendimiento de la rotura de materiales granulares generados en minería de Block Caving, esta memoria contempla la realización de 3 ensayos triaxiales CID de grandes dimensiones (probetas de diámetro = 60 cm, altura = 120 cm y diámetro = 100 cm, altura = 180 cm) a 20kgf/cm2 de confinamiento. Además, dos ensayos de compresión triaxial CID (probetas de diámetro = 5 cm y altura = 10 cm) se compararán en términos de rotura con la obtenido en ensayos de corte simple (probetas de diámetro 7 cm). Se emplearán materiales de tronadura proveniente del Proyecto Minero Chuquicamata Subterráneo (PMCHS). Además, procedimientos para una correcta confección de probetas triaxiales de grandes dimensiones con granulometrías uniformes son presentados. En estos se obtuvo una alta cantidad de rotura evaluada con el parámetro Bg de Marsal (1967), presentando valores moderados al evaluarse con el parámetro Br de Hardin (1985). Además, desarrollaron una baja resistencia al ser comparados con una extensa data de triaxiales CID de grandes dimensiones. Durante el desmonte de las probetas se pudo observar los diferentes tipos de rotura generados, los cuales son explicados de acuerdo a los mecanismos de deformación desarrollados al interior de la probeta. En cuanto a la comparación de rotura de ensayos de pequeña escala (triaxiales CID y corte simple) los resultados no son concluyentes en el desarrollo de mayor rotura en ensayos de corte simple.

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.

No description available.

El estudio de los flujos granulares ha adquirido gran interés en las últimas décadas, no sólo por su impacto económico, ambiental y científico, sino también porque su ocurrencia a escala geológica genera grandes riesgos sobre la población y la infraestructura alrededor del mundo. Esto ha originado dentro del ámbito de la ingeniería la necesidad de contar con modelos dinámicos que sean capaces de predecir en forma confiable la evolución espacio temporal de estos fenómenos, para lo cual es fundamental identificar, caracterizar y cuantificar los mecanismos de interacción entre los granos. En este contexto, el presente trabajo tiene por objeto mostrar los resultados cuantitativos y cualitativos de un estudio experimental de flujos de materiales granulares densos y secos, generados en un canal de fondo deslizante. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de vidrio de 40 cm de altura, un ancho útil de 18.6 cm y una cinta que desliza por el fondo a una velocidad que varía en el rango de 0 a 180 cm/s. Los materiales granulares utilizados en este experimento correspondieron a gravas finas, medianas y gruesas y esferas plásticas. A modo de comparación, se condujeron en forma paralela experimentos consistentes en flujos de esferas plásticas en un canal de fondo fijo de inclinación variable. Este canal posee un largo útil de 3 m, paredes de acrílico de 50 cm de altura y ancho útil de 20 cm. En ambas instalaciones, leyes de resistencia y parámetros adimensionales característicos fueron determinados a partir de las mediciones de altura, velocidad y pendiente del canal. También se obtuvieron imágenes del movimiento de las partículas en la pared del canal y en la superficie del flujo, usando una cámara de video de alta velocidad. Estas fueron analizadas posteriormente en forma cualitativa y cuantitativa, mediante procesos de tratamiento de imágenes y la aplicación de técnicas PIV (“Particle Image Velocimetry”) y PTV (“Particle Tracking Velocimetry”) para la obtención de la distribución de velocidades. A partir de las mediciones realizadas en esferas y sedimentos en el canal de fondo deslizante, se calcularon los números de Froude, Savage y Coulomb resultando ellos en el rango 0<Fr<3, 0<Sa<0.11 y 0<Co<1 para sedimentos y 0<Fr<2.5, 0<Sa<0.036 y 0<Co<0.05 para esferas, lo que indica que en los flujos experimentados domina la fricción intergranular por sobre las colisiones. Las relaciones entre el Fr y la altura relativa h/d determinadas para esferas y sedimentos, indican que la velocidad de la cinta depende débilmente de la altura de escurrimiento. Estos resultados no concuerdan con los obtenidos en el canal de fondo fijo. En el canal de fondo deslizante, la aplicación al flujo de sedimento natural de las técnicas de velocimetría condujo a resultados que no concuerdan con las observaciones y mediciones visuales, lo que llevó a descartarlos para la determinación de los perfiles de velocidad. Esto no sucedió con el flujo de esferas plásticas, donde los perfiles de velocidad revelaron la influencia de las paredes ubicadas en los extremos del canal, generando esfuerzos confinantes del flujo y contribuyendo al comportamiento friccional de éste. Se postula que los resultados globales de este estudio están fuertemente influenciados por las paredes ubicadas en ambos extremos del canal, los que generan esfuerzos de confinamiento que constriñen el movimiento del flujo y afectan por lo tanto la estructura cinemática de éstos, cuestionando la validez del uso de instalaciones de fondo deslizante como transformación galileana del flujo generado en canales de fondo fijo.

La mayoría de los flujos granulares densos en la naturaleza, tales como avalanchas de detritos, flujos piroclásticos, deslizamientos de tierra y avalanchas subacuáticas, están constituidos por una amplia gama de diferentes componentes sólidas inmersas en un fluido ambiente. Con el objeto de obtener una buena representación de la dinámica de estos flujos, se debe considerar los mecanismos de interacción entre los diferentes componentes de la mezcla. En este trabajo de tesis, se desarrolló un marco teórico basado en la teoría de mezcla para representar la dinámica de un flujo denso de material granular heterogéneo compuesto por varias especies sólidas con diferentes propiedades, sumergidas en un fluido Newtoniano. El sistema de ecuaciones obtenido fue resuelto numéricamente y validado mediante la comparación de los resultados numéricos con mediciones experimentales de flujos gravitacionales de material granular, generados por el colapso de una columna bidimensional de granos usando aire o agua como fluido ambiente. Esta teoría fue luego utilizada para investigar los efectos del fluido ambiente sobre la dinámica de flujos gravitacionales de material granular homogéneo, y los efectos de la segregación de partículas en la dinámica de flujos granulares compuestos por mezclas binarias de pequeñas y grandes partículas esféricas de igual densidad másica. Los resultados obtenidos sugieren que las ecuaciones propuestas capturan las características esenciales que describen la dinámica de flujos granulares densos heterogéneos. En particular, se demuestra que el fluido ambiente modifica la dinámica del flujo granular a través de cambios en la presión hidrodinámica del fluido e interacciones de arrastre entre el fluido y los sólidos. Por un lado, la presión hidrodinámica del fluido puede soportar el peso reducido de los sólidos, induciendo así una transición desde un flujo granular denso compactado a un flujo granular denso en suspensión. Por otro lado, las fuerzas de arrastre contrarrestan el movimiento de los sólidos, especialmente cerca de la pared. Además, se demuestra que la segregación del material granular aumenta la velocidad del frente debido a la expansión volumétrica del flujo. Este aumento en la velocidad del flujo es amortiguado por el fluido ambiente, comportamiento que es más pronunciado en agua que en aire. Por lo tanto, la velocidad del frente resulta del equilibrio entre la expansión volumétrica causada por la segregación y la fuerza de arrastre impuesta por el fluido ambiente. Los resultados de esta tesis permiten concluir que un modelo realista para flujos granulares heterogéneos debe considerar al menos tres componentes: granos grandes y pequeños, y el fluido ambiente. De esta forma, el marco teórico propuesto en esta tesis podría ser útil para estudiar la dinámica a gran escala de este tipo de flujos en la naturaleza, como lo son los flujos geofísicos. Los resultados principales de esta tesis fueron publicados en dos artículos científicos, el primero en el Journal of Fluid Mechanics (2010, 648: 381 - 404), y el segundo sometido a revisión en la misma revista.

El principal objetivo de este trabajo de título es el estudio de los esfuerzos en roca hundida a través de la utilización de un software 2D UDEC (Universal Distinct Element Code) basado en el método de los elementos discretos. Esto involucra la simulación de los experimentos realizados en un modelo físico de block caving a escala y el estudio de la influencia de propiedades mecánicas (granulometría, forma y ángulo de fricción) y parámetros de diseño (ancho de punto de extracción y porcentaje de extracción) en los esfuerzos verticales obtenidos numéricamente. En este estudio se analizaron los resultados experimentales obtenidos de un modelo físico de flujo gravitacional (Castro, 2006) y se escogió parte de ellos para realizar la comparación con los resultados de las simulaciones. Así fue como se estableció una metodología para desarrollar los modelos en UDEC en cuatro etapas: i) modelos de prueba (a fin de establecer los parámetros más adecuados), ii) modelos sin extracción (para determinar el más representativo), iii) modelos con extracción aislada (con el objeto de estudiar la influencia del ancho del punto de extracción y el ángulo de fricción del material sobre los esfuerzos verticales) y iv) un modelo con extracción múltiple (para analizar la influencia del porcentaje de extracción de los esfuerzos en la base). Para todos ellos se definió la geometría, propiedades mecánicas, ley de comportamiento, condiciones de borde, condiciones iniciales y propiedades a evaluar. Con la realización de los modelos de prueba, se determinó que el tamaño medio de las partículas de grava del modelo se estableciera en el rango entre 12 cm y 20 cm, dado que no fue posible utilizar menores tamaños. De la modelación sin extracción se obtuvo que la granulometría media correspondiente a 16 cm (modelo 16cm_fill) fue la más representativa de los esfuerzos verticales medidos experimentalmente, con un error relativo medio de 28% y una desviación estándar de 14%. Por otra parte, en la modelación sin extracción se observó que el esfuerzo vertical podía aumentar o disminuir a medida que aumentaba el ancho del punto de extracción y no se produjo variación del esfuerzo sobre la base al cambiar el ángulo de fricción. Así mismo, a partir del modelo de extracción múltiple se obtuvo que el esfuerzo vertical sobre el centro de la base del modelo aumentó a una tasa constante hasta llegar a un máximo de seis veces el valor inicial. Se establece que la modelación en UDEC presentada en este trabajo permite replicar de manera aceptable los esfuerzos verticales medidos en el modelo físico de flujo gravitacional, observándose formación de arcos estables e inestables y concentración local de esfuerzos. Así mismo, se observa que la forma y granulometría de las partículas desempeña un papel relevante en la distribución de esfuerzos y el flujo desarrollado en las etapas de extracción. La mayor barrera de la modelación correspondió a la imposibilidad de alcanzar la granulometría media del material granular usado en el experimento (del orden de un centímetro), dada la cantidad de partículas que se requieren generar, lo que instaura un desafío al desarrollo futuro del software.

No description available.