Magíster en Ingeniería de Redes de Comunicaciones / El objetivo principal del presente trabajo es describir la simulación y el análisis de desempeño de la red de comunicaciones LTE para infraestructura de medición avanzada (AMI) en las redes eléctricas inteligentes, o Smart Grid por su nombre en inglés. Para ello se elabora primero el estado del arte en temas de infraestructura de medición avanzada y su intervención para recolectar datos ocupando tecnologías de comunicaciones. Se crea un entorno de desarrollo para simulaciones utilizando OMNeT++ donde se implementan y modelan diferentes escenarios donde cohabiten y convergen dispositivos de medición de consumo eléctrico y terminales móviles, asegurando que tengan características de movilidad para cada uno. Se utiliza la herramienta de simulación en escenarios con datos geo-referenciales reales de la ciudad de Santiago incluidos las posiciones de estaciones base de una empresa de telecomunicaciones, se realizaron diversas simulaciones para validar el comportamiento del simulador, garantizando los detalles técnicos que tiene la red LTE a su vez que se utiliza como base para la elaboración de diversos escenarios optimizados. Se construye modelos avanzados donde aplicamos investigaciones colaborativas para optimizar posiciones de estaciones base eNodeB, conociendo la ubicación de los nodos y el área geográfica donde se aplica la optimización. Se aplica el simulador para observar el comportamiento de la red con datos de modelos reales y determinar una cobertura mínima para los smart meters. El aporte de este trabajo se centra en crear una herramienta que sirve para modelar y simular una red de comunicaciones móviles con clientes de una red de medición avanzada adicional a los clientes móviles tradicionales. Además, se propone continuar la línea de investigación con nuevas tecnologías que contengan un mayor alcance, además con la intervención de nuevas tecnologías computacionales para el desarrollo de Smart Grid Evolucionado.

Ingeniero Civil Eléctrico / En el ámbito de interpolación geoestadística, el principal problema para estimar variables regionalizadas es la baja cantidad de datos medidos. Este tipo de problemas están extremadamente indeterminados, es decir, presentan una mayor cantidad de grados de libertad que restricciones, lo que deriva en múltiples soluciones. Este trabajo aborda el problema de interpolación de perfiles de permeabilidad desde un enfoque de reconstrucción de imágenes. En particular, el trabajo es motivado por el reciente desarrollo de la teoría RIPless de Compressed Sensing, herramienta que ha introducido un nuevo paradigma de adquisición de datos, permitiendo muestrear a tasas muy por debajo de las establecidas por las técnicas convencionales. El enfoque consiste en modelar las estructuras multicanal como imágenes que presentan una descomposición sparse en algún dominio transformado y utilizar esta información para reconstruir la imagen original a partir de un muestreo sub-crítico y no estructurado. Ésta es la principal diferencia con los métodos tradicionales, los cuales utilizan modelos estadísticos como información a priori para el proceso de estimación. La principal contribución de este trabajo fue la contextualización del problema de interpolación espacial en el marco de Compressed Sensing, generando claras conexiones con los resultados teóricos de esta nueva herramienta. De este análisis, se formuló el problema de selección de base óptima, el cual indicó que bajo el esquema de medición aleatoria de pixeles, la DCT es la base que permite inducir un determinado error de reconstrucción con la menor cantidad de mediciones, superando incluso a las transformadas wavelet. En la línea de los resultados obtenidos, este enfoque presenta prometedores desempeños, incluso en el régimen sub-crítico del 2% al 4% de datos medidos. En cuanto a los aspectos prácticos de procesamiento, la descomposición en distintos niveles de escala (bloques) para su reconstrucción y posterior promedio, mostró mejorías sustanciales en la estimación de las variables de permeabilidad. También se constató que, dada la naturaleza binaria de las imágenes estudiadas, una etapa de categorización genera importantes mejoras en los desempeños del método. Finalmente, esta memoria abrió diversas ramas de estudio para trabajos futuros, dentro de los cuales destacan: implementación de otros algoritmos; estudio de técnicas de post-procesamiento más elaboradas; extender el análisis a diferentes estructuras o modelos geológicos; incorporación de información a priori en esquemas de reconstrucción; y uso conjunto de métodos convencionales y regularización sparse.

Los aneurismas son dilataciones anormales de las arterias causadas por problemas en sus paredes. Éstos pueden originar leves molestias durante su existencia o incluso ser asintomáticos, pero son capaces de causar severos daños a la salud si revientan. La velocidad de la sangre, los esfuerzos de corte sobre las paredes y la distribución de presión son factores muy importantes en el nacimiento y desarrollo de los aneurismas cerebrales. Debido a la gran dificultad de obtener estos datos mediante exámenes en pacientes, es que toma importancia la diversa cantidad de simulaciones que se pueden llevar a cabo en el contexto de la hemodinámica. Actualmente el Dr. Ing. Álvaro Valencia del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile desarrolla un proyecto para apoyar las decisiones médicas, en el cual las simulaciones computacionales pueden hacer más confiables los diagnósticos y las evaluaciones de pacientes que padecen esta enfermedad. En el marco del proyecto FONDECYT titulado FLOW DYNAMICS AND ARTERIAL WALL INTERACTION IN REALISTIC CEREBRAL ANEURYSM MODELS, se desarrolla este tema de memoria, el cual se enfoca en la simulación del problema para obtener la fluidodinámica de los aneurismas cerebrales. Con la ayuda de exámenes computacionales obtenidos del Instituto de Neurocirugía Asenjo, se pueden extraer las geometrías reales de pacientes que padecen este tipo de anomalías arteriales. Esta información, sumada a la existencia de una metodología diseñada por memoristas anteriores, permite transformar el formato generado por el equipo médico en un formato útil para el programa ADINA, que es el software que se utiliza para la simulación numérica de los aneurismas. En el presente trabajo se caracteriza la fluido-dinámica de 25 aneurismas diferentes y se realiza un análisis estadístico entre su caudal de entrada, esfuerzos de corte en las paredes (WSS), viscosidad máxima y tiempo de residencia con un factor geométrico (NSI). Además se simulan 3 casos con alteraciones en las condiciones de borde para analizar los cambios que se producen en la fluido-dinámica al asumir condiciones diferentes de velocidad, presión y viscosidad. Finalmente se obtienen conclusiones globales del comportamiento de la fluidodinámica dentro y fuera de los aneurismas, junto con las consecuencias de los cambios en las condiciones de borde y la validación del factor de forma en la estimación de las variables de interés.

A nivel mundial existe una creciente preocupación por las consecuencias del cambio climático global, debido a las variaciones que se han observado en los eventos meteorológicos actuales, y que se espera, se intensifiquen en el futuro. Esta situación puede alterar la seguridad hidrológica de las obras hidráulicas construidas y en proyecto, al haber sido diseñadas a base de información considerada invariante en el tiempo, lo que se traduce en modificaciones de los períodos de retorno con que _estas se diseñan y generar por consiguiente problemas para la población ubicada aguas abajo de estas obras. Este trabajo es desarrollado en cuencas pluviales de la zona costera de la Región del Bio Bio y su objetivo principal es estudiar la variación de la seguridad hidrológica de obras hidráulicas para el escenario de emisiones A2 en el período 2070-2100. Para esto, se calibra y valida el modelo hidrológico GR4J en aquellas cuencas con información fluviométrica, utilizando como entradas al modelo las series de precipitación y evaporación media diaria observadas en estaciones cercanas a las cuencas de estudio. Posteriormente los modelos calibrados son utilizados para determinar las series de caudales actuales y futuros, a partir de la información meteorológica proporcionada por el modelo PRECIS DGF, previamente corregida de modo que sea representativa de las cuencas estudiadas. Finalmente se realiza un análisis de frecuencia con el que se determinan los caudales y períodos de retorno para la línea base y el escenario A2. Se realiza también un análisis en cuencas sin información fluviométrica, para lo cual se determinan los parámetros operacionales del modelo por medio de correlaciones entre éstos e índices que dependen de la geomorfología de la cuenca. Estos parámetros permiten determinar la variación de los períodos de retorno y caudales actuales y futuros del mismo modo en el que se realizó para las cuencas con información fluviométrica. Los resultados obtenidos indican una disminución de los caudales de crecidas en un rango entre 56% y 8 %, dependiendo de la cuenca y del período de retorno considerado. En general, mientras mayor es el período de retorno, menor es la variación del caudal. La seguridad hidrológica de las obras hidráulicas presenta un incremento en el período 2070-2100, debido al aumento de los períodos de retorno de diseño en el escenario A2.

Este trabajo de investigación hace un análisis cualitativo y cuantitativo de los paradigmas de la simulación. Los tres paradigmas estudiados en este trabajo son: dinámica de sistemas, simulación de eventos discretos y la simulación basada en agentes. En el análisis cualitativo, primero se detallan las definiciones y características de cada uno de los tres métodos para luego mostrar en un cuadro comparativo los elementos distintivos de cada uno de ellos. El análisis cuantitativo se realiza a través de un caso de estudio, donde primero se modela y se simula el problema a través del enfoque de cada método en particular. Después mediante diferentes escenarios se muestran las ventajas y desventajas de usar un paradigma sobre los otros. Esto se expone en un resumen comparativo de los escenarios. La integración de las características cualitativas y cuantitativas que distinguen a cada paradigma se presentan en las conclusiones. / This research work makes a qualitative and quantitative analysis of the simulation paradigms. The three paradigms studied in this work are: system dynamics, discrete event simulation and agent-based simulation. In the qualitative analysis, the definitions and characteristics of each of the three methods are detailed first and then the distinctive elements of each paradigm are showed in a comparative table. The quantitative analysis is performed through a case study, where first the problem is modeled and simulated through the focus of each particular method. After that, by using different scenarios it is showed the advantages and disadvantages of using a paradigm over the others. This is showed in a comparative summary of the scenarios. The integration of the qualitative and quantitative characteristics that distinguish each paradigm are presented in the conclusions. / Trabajo de investigación

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención en Ciencia de los Materiales / Los vidrios metálicos son aleaciones con una estructura atómica desordenada que han atraído interés durante las últimas décadas debido a sus propiedades mecánicas particulares como un alto módulo y límite elástico. Sin embargo, éstos se presentan como materiales frágiles a temperatura ambiente debido a su tendencia a la localización de la deformación mediante la formación de bandas de corte. La explotación de las propiedades de los vidrios metálicos requiere el desarrollo de estrategias efectivas para controlar la localización de la deformación y poder prevenir la fractura frágil. Este objetivo puede ser alcanzado si los mecanismos que gobiernan la plasticidad en los vidrios metálicos a escala atómica son bien conocidos. En particular, cuando tratamos con nano-estructuras, aparecen efectos superficiales debido a la mayor proporción de átomos que corresponden a la superficie con respecto a los que se encuentran en el volumen. Con el ánimo de proporcionar mayor entendimiento de estos efectos y de como ellos influyen sobre las propiedades mecánicas de nano-estructuras de vidrio metálico, se estudió su comportamiento mécanico usando simulaciones de dinámica molecular. Se eligió la aleación Zr-Cu-Al por ser uno de los pocos sistemas ternarios con un potencial interatómico bien definido que puede ser implementado en los programas computacionales utilizados en el modelamiento de materiales. El estudio fue enfocado en el modelamiento de dos casos de deformación. El primer caso lo constituye un ensayo de compresión sobre nano-columnas en el cual se estudió la relación entre el módulo elástico y límite elástico con el largo y diámetro de las nano-columnas. El segundo estudio trató sobre la deformación que sufren una nanopartícula y un substrato, ambos de vidrio metálico basados en cobre y zirconio, en un impacto a velocidades sub y supersónicas. En ambos casos resultó muy importante el papel que juega la relación superficie-volumen en la deformación. En el modelamiento de la compresión se encontró que los nano-alambres son capaces de deformarse plásticamente gracias a la disminución de la energía elástica almacenada por la muestra cuando disminuye el volumen. En el caso del impacto de nano-partículas de vidrio metálico se muestra que a esta escala la deformación es un fenómeno global que funde toda la partícula y debido a la mayor proporción de área con respecto al volumen, esta se enfría rápidamente, lo que conserva la estructura atómica amorfa de la muestra.

La neurocirugía necesita altos niveles de precisión debido a la complejidad del cerebro. Para ello, los cirujanos cuentan con imágenes pre-operatorias que permiten identificar la zona exacta de operación. Sin embargo, durante la craneotomía se producen deformaciones en el cerebro. Las deformaciones producidas conllevan un margen de error en la zona de operación. El fenómeno de deformaciones denominado "Brain Shift", se estudiará en el presente tema de memoria. El proyecto de título busca cuantificar los desplazamientos originados en el tejido cerebral cuando existe un procedimiento quirúrgico de cráneo abierto. Al variar la presión intracraneal, el cerebro comienza un proceso de deformación hasta alcanzar un estado definitivo. La escasez de equipos clínicos capaces de actualizar el estado del cerebro durante el proceso y su alto costo, son los problemas que enfrenta la neurocirugía. Es por esto, que el fenómeno ha sido ampliamente abordado por investigadores del área biomecánica y dentro de los antecedentes recopilados se presenta un estado del arte de aquellos trabajos de mayor aporte a la modelación del fenómeno llamado Brain Shift. Dentro de este marco, se realizó un estudio acabado de modelos de sólidos adaptables a las condiciones del cerebro, en particular se han considerado modelos de elastómeros y lineales. Como objetivo general se plantea establecer un valor aproximado del desplazamiento y estado final que tendrá la zona del cerebro a operar, mediante el uso de modelos matemáticos y algoritmos computacionales, en particular con el método de elementos finitos. Como objetivo específico, se busca modelar el fenómeno denominado Brain Shift para la determinar desplazamientos, deformaciones y esfuerzos. La metodología aplicada consistió en la generación de un modelo CAD del cerebro importable a un programa de elementos finitos. En etapas previas a la simulación del Brain Shift, se estudiaron diferentes condiciones de borde y el modelo de sólido que se adaptase a las propiedades reales del cerebro. Finalmente se simularon tres casos denominados craneotomía parietal, frontal y posterior respectivamente. El nombre indica la zona del cerebro expuesta. Con estos casos se cuantificó desplazamientos, esfuerzos y deformaciones generados por el fenómeno. Los resultados son similares a los registrados por investigadores, sin embargo, el Brain Shift es único para cada paciente. Con este trabajo de título se entregan las herramientas esenciales para conocer los desplazamientos que se generaran en un procedimiento de este tipo, gracias a las condiciones de borde estudiadas y al modelo de sólido seleccionado.

Ingeniero Civil Mecánico / En la minería resulta fundamental el transporte del material extraído en los yacimientos hacia las plantas de procesos y desde éstas hasta los puertos o fundiciones para seguir con la cadena de producción. Gracias al desarrollo de técnicas de transporte de sólidos en suspensión en agua al interior de tuberías, las capacidades de transporte han aumentado significativamente, incrementando la tasa de producción en la minería. Hay diseños en la actualidad, que utilizan espesores no estándar de tuberías y éstos han presentado fallas, por lo que se busca determinar si hubo errores en el diseño de las tuberías. Se realizó una simulación mediante el método de elemento finito, en 2 etapas. Primero, un modelo uniaxial de la tubería entre 2 apoyos, ubicados a una distancia de doce metros entre sí, para luego exportar los resultados de esta primera simulación a un modelo tridimensional de una porción de la tubería, mediante el método de substructure. En el punto medio entre los apoyos, existe un flange del tipo welding neck. Se llevó a cabo un análisis de resistencia a la fatiga, y se determinó que el diseño no cumplía con los criterios de falla por fatiga con factores de seguridad para diferentes modelos, todos menores que 1. Por lo que era esperable que la tubería presentara fallas. Se estudiaron modificaciones al diseño, con apoyos a diferentes distancias, apoyos ubicados a ocho metros o menos entre sí, son los que aumentan los factores de seguridad, sin embargo estas distancias no se utilizaron debido al incremento de costos que significaba la instalación de mayor cantidad de apoyos. También se estudiaron los efectos de transportar la pulpa a una velocidad inferior a 5 [m/s] obteniendo factores de seguridad superiores a 1. Sin embargo, no es recomendable transportar la pulpa con la que trabaja esta tubería, a velocidades menores a 5 [m/s], por lo que esta solución puede ser tomada en cuenta para diseños futuros.

Ingeniero Civil Eléctrico / En este documento se describe el diseño de un protocolo de pruebas de aceptación en fábrica (FAT), para validar el funcionamiento de un esquema de protección especial (SIPS) antes de ser instalado en terreno. Este esquema será implementado debido a la conexión de un parque fotovoltaico y uno eólico en una línea de transmisión de doble circuito que está próxima a su límite térmico de transmisión. El SIPS tiene como objetivo aumentar la capacidad de transmisión de estas líneas, omitiendo el criterio de seguridad N-1, y protegerlas, siendo lo suficientemente rápido para actuar frente a sobrecargas de las líneas cercanas o frente a contingencias extremas. Las pruebas serán llevadas a cabo con una plataforma de simulación en tiempo real (RTDS), utilizando un modelo del sistema eléctrico para el área involucrada, y aplicando el método de hardware in the loop. Las pruebas involucran verificar las señales de entrada del esquema, el funcionamiento, respuesta ante fallas/errores de equipos y una inspección general final. El desarrollo de la memoria contempla definir el conjunto de pruebas que serán aplicadas al esquema de protección para verificar las distintas funciones estableciendo los resultados esperados, crear escenarios de simulación en la RTDS con los cuales serán aplicadas las pruebas, interconectar los equipos que son necesarios para emular las condiciones que se tendrán en terreno, para finalmente ejecutar el protocolo FAT. Se culmina con una conclusión que involucra las ventajas de utilizar una plataforma de simulación en tiempo real para la ejecución de pruebas FAT, junto con mencionar los temas que pueden ser abordados en un trabajo futuro.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería - Mención Fluidodinámica / En los últimos años se ha registrado un creciente interés por aplicar Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) a flujos atmosféricos complejos. Esto debido a que el constante aumento de la capacidad computacional hace ahora más accesible la resolución numérica de este tipo de problemas multifísicos que consideran flujos altamente turbulentos, boyancia térmica, estratificación, y la geometría compleja con la que interactúa la circulación atmosférica cerca del suelo. En esta tesis nos enfocamos en desarrollar y aplicar un solver CFD capaz de simular flujos atmosféricos en condiciones convectivas sobre geometrías complejas, que pueda considerar la compleja topografía que caracteriza la mayoría de los entornos naturales. Como plataforma usamos el software de código abierto OpenFOAM, enfocando su aplicación a la dispersión de contaminantes que ocurre dentro de rajos mineros de grandes dimensiones, la cual está controlada por la interacción de procesos netamente mecánicos producidos por la geometría de la cavidad, y procesos convectivos determinados por el flujo de calor desde la superficie del suelo. Para permitir la incorporación de geometría compleja en las simulaciones, sin perder la capacidad de resolver en detalle la turbulencia, utilizamos un modelo del tipo DES (detached eddy simulation), el cual permite aprovechar las capacidades de la técnica LES (large eddy simulation) en las zonas con turbulencia desarrollada lejos de las paredes, y reducir la demanda computacional en las zonas complejas cerca de las paredes mediante aproximaciones del tipo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Para incorporar el efecto de la estratificación usamos una formulación que incluye la densidad como una variable de cálculo en el sistema de ecuaciones, facilitando así el estudio de flujos boyantes. Definimos condiciones de borde e iniciales específicamente desarrolladas para el problema. La primera parte de este trabajo, que incluye el desarrollo del modelo y su validación mediante diferentes casos experimentales y numéricos bien documentados, permitió comprobar la validez de usar OpenFOAM para estudiar este tipo de problemas multifísicos. Además fue posible corroborar la eficiencia de la técnica DES, capaz de resolver en detalle mediante la técnica LES la turbulencia atmosférica lejos del suelo, donde los flujos convectivos tienen más relevancia, y simular con precisión la interacción del flujo con la geometría superficial de manera económica mediante la técnica RANS. La segunda parte, que considera la aplicación del modelo al caso de Chuquicamata, uno de los rajos mineros más grande del mundo, permitió estudiar el efecto de la boyancia térmica sobre la dispersión de contaminantes tanto dentro como fuera del rajo, en condiciones ideales y reales. En particular, se concluye que las corrientes convectivas producidas por el flujo de calor desde la superficie reducen el efecto de la recirculación mecánica que se genera al barrer el flujo sobre la cavidad, lo que aumenta considerablemente la salida de partículas desde el interior de la cavidad, reduciendo su tiempo de vida dentro del rajo. Este efecto, unido a la importancia que se comprobó tiene la geometría 3D del rajo sobre la circulación, puede ser útil para el eventual desarrollo de sistemas de ventilación que incorporen estos aspectos.