Geólogo / Ante la tarea de proponer nuevas metodologías para la caracterización y modelación de reservorios fracturados se propone la implementación en el software FEFLOW 7.1 de un modelo de fractura simple que represente la inyección de soluto implementada en el sitio de experimentación de rocas fracturadas de Ploemeur, Francia y considerando un escenario de inyección de un pulso de calor para observar la respuesta del modelo en función de unas consideraciones experimentales propuestas para el sitio. La calibración del modelo se realizó ajustando las curvas numéricas entregadas por el software a la respuesta másica experimental en conjunto con una curva calórica propuesta (y posible de encontrar en la zona), por medio de iteraciones desde un resultado inicial, obtenido desde los parámetros default del software y de acuerdo con la ley cúbica. El modelo conceptual por representar corresponde a una discontinuidad horizontal que separa 2 grupos de capas (layers) sobre el cual se simularon dos pozos (inyección y recuperación) separados horizontalmente por 10.8m. Los tiempos de llegada de trazador bordean los 30 minutos mientras que la respuesta calórica propuesta ronda las 50 horas. Dentro de los grandes controladores de la llegada de masa y calor al pozo de recuperación se encontraron la conductividad hidráulica y no así el espesor de fractura, además de tener efectos más intensos en el transporte calórico que en el másico. Factores como reacciones de sorción o efectos difusivos a esta escala local no tienen efectos notorios, sin embargo, a la hora de estudiar circulación a escala regional deben ser cuantificados y revisitados. El ajuste propuesto es bueno, tanto estadística como visualmente. Los análisis de sensibilidad efectuados sobre el ajuste muestran la existencia de propiedades críticas como la porosidad de los elementos circundantes y la dirección de gradiente hidráulico utilizado. La determinación en terreno de este parámetro resulta fundamental para obtener una primera aproximación fidedigna de los parámetros del acuífero y su determinación no debiera revestir mayor dificultad, ya que puede aprovecharse la implementación de los pozos para obtener dichos valores. Como suele suceder en toda simulación, resulta de primera necesidad la corroboración de los datos experimentales en terreno. En caso de que la configuración experimental no entregue los resultados propuestos para la calibración del transporte de calor, deben revisitarse los supuestos del modelo y acotar mejor el problema, ya que se estaría llegando a configuraciones hidrogeológicas que no representen de la mejor forma la situación real del acuífero. Finalmente, al considerar la extrapolación de los resultados a zonas de interés tanto chilenas como extranjeras debe tenerse en consideración el cambio de escalas y lo que esto conlleva: distintos tamaños de bloque y mayores tiempos de cómputo con requerimientos computacionales superiores. Así, implementar esta metodología es una buena primera aproximación al desafío del flujo y transporte en rocas fracturadas. Dentro de sus ventajas está la de necesitar pocos parámetros de entrada y pruebas de campo, por lo que puede considerarse como una opción viable antes de realizar modelos más complejos y robustos pero que requieren de mayor cantidad de información base. / Este trabajo ha sido financiado por el Proyecto FONDECYT 1170569 y el Proyecto UNESCO IGCP636

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo consiste en simular diferentes modelos de intercambiadores de calor, mediante Ansys Fluet, con el fin de determinar los efectos de la modificación de aletas en la transferencia de calor y la pérdida de carga reflejados en la caída de presión. El objetivo principal de este trabajo es evaluar térmicamente y globalmente, mediante simulación numérica, los efectos de la modificación de aletas sobre un flujo de aire en intercambiadores de calor de tubos ovalados. Para lograrlo se determina un modelo para validación, se realiza la validación y se determina la independencia del mallado. Luego se define un modelo base con tubos ondulados y se definen las configuraciones de aletas a estudiar. Finalmente, se simulan los 4 casos de aletas mejoradas correspondientes a aletas onduladas, con generadores de vórtices longitudinales (GVL), aletas con persianas y una combinación entre aletas onduladas y con GVL. La validación se confirma dado que las diferencias con el estudio experimental alcanzan un máximo de 8,1% y 9,8% para f y j respectivamente. Además la independencia del mallado se concreta al tener diferencias máximas de un 1,26% y 4,70% en f y j respectivamente, entre el mallado medio y el mallado fino. En los modelos estudiados se detectan los diferentes mecanismos de aumento en la transferencia de calor. Entre ellos destacan la mezcla del fluido y desestabilización de flujo presenciadas en las aletas onduladas. Por otro lado se evidencia el efecto de los vórtices longitudinales al provocar un adelgazamiento en la capa límite térmica cerca de las aletas. De todos los intercambiadores estudiados, el que muestra un mayor aumento en la transferencia de calor respecto al modelo base de aletas planas, se da en el caso de aletas con persianas con un aumento del 63,02$\%$ para un Re_{H} = 2200. El mayor aumento en la caída de presión para un mismo valor de Re_{H} = 3000, lo logra el modelo con aletas combinadas alcanzando un 187,41%. En definitiva, en términos de transferencia de calor, el intercambiador de aletas con persianas logra el mejor desempeño respecto a los otros modelos estudiados. Además, gracias al factor de rendimiento global JF, se detecta que el mismo intercambiador con persianas obtiene el mejor desempeño global integrando la transferencia de calor y la caída de presión.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En este trabajo se simulan diferentes modelos de intercambiadores de calor de tubos y aletas, mediante Ansys Fluent. Se varía la geometría de aleta y se comparan las configuraciones en términos de aumento de la transferencia de calor y caída de presión. El objetivo general de este trabajo consiste en estudiar la transferencia de calor de un flujo de aire en un intercambiador de calor de aletas con persianas y generadores de vórtices, utilizando un modelo computacional. Para lograr esto, primero se diseña el modelo de validación y se realiza la misma, para luego proceder a establecer la independencia de malla. Luego, se diseñan los modelos a estudiar, y se procede a realizar las simulaciones en Ansys Fluent. Finalmente, se analizan los resultados obtenidos y se concluye. Se alcanza la validación del modelo, presentando diferencias porcentuales máximas respecto de los datos experimentales, para el número de Stanton St y el factor de fricción f de un 5,1 % y un 10 %, respectivamente. También se establece la independencia de malla, consiguiendo diferencias porcentuales máximas de un 4,5 % y un 4,1% para el número de Stanton St y el factor de fricción f, respectivamente, entre el mallado medio y el mallado fino. Dentro de las configuraciones estudiadas, la que presenta el mayor aumento de la transferencia de calor respecto de la configuración con aletas planas corresponde a la configuración con 4 pares de generadores de vórtices en línea, lo cual se traduce en un aumento máximo del factor de Colburn j de un 74,4 % a un Reynolds Re_H=1450. Para la caída de presión, la configuración que presenta el mayor aumento respecto de la configuración de aletas planas corresponde a la configuración de aletas con persianas, con un aumento máximo para el factor de fricción f de 290 % a un Re_{H}=3625. Los criterios de desempeño estudiados indican que la configuración que menor área frontal requiere para una determinada transferencia de calor y caída de presión, es la configuración con 2 pares de generadores de vórtices por tubo en línea. Por otro lado, si se tiene una determinada potencia de bombeo por unidad de volumen, la configuración que presenta la mayor transferencia de calor por unidad de volumen corresponde a la configuración con 4 pares de generadores de vórtices por tubo en línea. Se concluye que en términos de aumento de la transferencia de calor, la configuración que mejor desempeño presenta corresponde a la de aletas con 4 pares de generadores de vórtices por tubo en línea. Según los parámetros de desempeño, la configuración que presenta mejor desempeño dependerá de los criterios de diseño del intercambiador de calor.

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.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniero Civil / Cuerpos de agua natural someros se pueden encontrar en la zona del Altiplano de la Cordillera de los Andes en Sudamérica. En estos sistemas, la variación intradiaria y estacional de la temperatura del agua es una de las principales variables que condicionan tanto el ciclo hidrológico (tasas de evaporación) como la dinámica del ecosistema (fotosíntesis, respiración, etc). Para abordar el problema del cálculo de la temperatura del agua en sistemas someros, se adopta un modelo conceptual que resuelve la ecuación de conservación de calor en un medio acuoso, sin considerar el transporte horizontal de calor y considerando una temperatura homogénea en el mismo. De esta forma, los cambios temporales de temperatura del agua se deben al intercambio periódico de calor entre la columna de agua y la atmósfera, y entre el agua y los sedimentos. Este marco conceptual lleva a plantear la existencia de 2 números adimensionales que describen el problema, los que, si bien han sido validados en terreno, no han sido sujeto de estudio detallado en condiciones controladas de laboratorio. El objetivo de este trabajo es estudiar de manera experimental la variación periódica de la temperatura del agua de un cuerpo de agua somero, y en particular cómo es el flujo de calor intercambiado entre el agua y los sedimentos. Para lo anterior, se realizaron 12 experimentos en una caja de acrílico llenada con sedimentos y distintas alturas de agua, sometidos a una forzante de radiación de onda corta periódica a través de un set de focos led que periódicamente son encendidos y apagados. Los periodos utilizados son de 1, 2, 4 y 6 hrs, mientras que las alturas de agua están en el rango 2.5-10 cm. El sistema de medición utilizado corresponde a uno DTS, obteniendo de manera continua una serie de perfiles verticales de temperatura en los sedimentos, el agua y parte del aire. Los resultados experimentales permitieron validar de manera satisfactoria el modelo conceptual propuesto. De igual forma, se pudo medir una serie de parámetros requeridos para el cálculo de la temperatura del agua y sedimentos (coeficientes de extinción de luz, albedo, retención de calor en superficie del agua, etc). Finalmente, se realizó un estudio detallado del flujo de calor convectivo que se desarrolla en la interfaz agua-sedimentos, lo que permitió proponer una relación empírica entre números de Nusselt y de Rayleigh, para el cálculo de la velocidad de transferencia.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Esta tesis está dedicada a estudiar la influencia del tamaño de un generador de vórtices transversal cilíndrico en el enfriamiento de las paredes de un canal plano, aprovechando la generación de vórtices producto del enfrentamiento con un fluido no newtoniano del tipo Ley de potencia (Ostwald de Waele) con un índice de potencia igual a 0,4. Se realizan diferentes simulaciones numéricas computacionales acoplando las ecuaciones de conservación de masa, momento y de energía para un régimen laminar y turbulento en el programa ANSYS Fluent 14.5. Las simulaciones son realizadas en 2D. En el primer capítulo se presentan los objetivos generales y específicos del presente trabajo. Junto con ello, se describe la motivación del trabajo. En el segundo capítulo se da a conocer el marco teórico referente al enfrentamiento entre un flujo de fluido y un cuerpo sólido. En el tercer capítulo se estudia y presentan los resultados de la mecánica de fluidos y transferencia de calor transiente de un flujo de fluido newtoniano en régimen laminar enfrentado a un generador de vórtices cilíndrico fijo. Todos los casos analizados fueron comparados con el trabajo de Lienhard (1966) y Lam (2008), con el fin de validar el modelo físico y el tipo de algoritmo a utilizar. En el cuarto y quinto capítulo se presentan los resultados de la mecánica de fluidos y transferencia de calor transiente de un flujo de fluido del tipo no newtoniano, tipo ley de potencia para un índice de potencia de n=0,4, que enfrenta a un generador de vórtices cilíndrico fijo. En el cuarto capítulo se entrega los resultados del régimen laminar y en el quinto capítulo se entregan los resultados del régimen turbulento. En el sexto y séptimo capítulo se presentan los resultados de la mecánica de fluidos y transferencia de calor transiente de un flujo de fluido del tipo newtoniano y no newtoniano del tipo ley de potencia para un índice de potencia de n=0,4. En el capítulo sexto ambos tipos de fluidos se encuentran en régimen laminar, mientras que en el séptimo capítulo ambos fluidos se encuentran en régimen turbulento. Se simula el ingreso del flujo de fluido a un canal y se enfrenta a un generador de vórtices cilíndrico fijo, el cual posee diferentes diámetros.

Ingeniero Civil Mecánico / La helada de radiación es un fenómeno meteorológico responsable de pérdidas económicas severas en el sector agrícola debido a que puede ocasionar la destrucción completa del cultivo o, en un mejor caso, una disminución sustancial de la calidad de la fruta eventualmente cosechada. Este trabajo consiste en el empleo de simulaciones fluidodinámica computacionales para el análisis de la efectividad de la máquina Tow & Blow en función de sus parámetros operacionales y de las condiciones meteorológicas presentes durante su funcionamiento, para la protección de Vitis vinífera, la planta más utilizada para la producción de vino, contra heladas de radiación. Los parámetros operacionales estudiados son la altura de la máquina, el ángulo del rotor con respecto al plano horizontal y la velocidad de rotación de las aspas. Por su parte, las condiciones meteorológicas estudiadas son la temperatura del aire a los 1,5 m de altura y la intensidad de la inversión. En primera instancia, se crea un modelo termodinámico de la helada, para representar de manera precisa su efecto sobre las plantas. Posteriormente, se selecciona una localidad, que corresponde a la Viña Matetic ubicada en la Región de Valparaíso, Chile, para la adquisición de datos necesarios para la implementación del modelo. Luego se procede a calcular los distintos parámetros del modelo termodinámico a partir de los datos adquiridos y del uso de teoría de transferencia de calor y turbulencia atmosférica. Una vez cuantificado el modelo, se procede a realizar un diseño computacional de la máquina, para su posterior implementación en el software de análisis de fluidodinámica computacional. Finalmente, se elabora un criterio de protección a partir de la temperatura crítica de la planta de Vitis vinífera y se llevan a cabo las simulaciones correspondientes en base a la variación de los parámetros estudiados. A partir de los resultados de las simulaciones, se determinan funciones polinómicas que generalizan la relación entre el valor de cada parámetro estudiado y la variación porcentual del área de protección, junto con la variación porcentual de la máxima temperatura alcanzada a los 0,7 m de altura, que corresponde a la mínima altura de ubicación de las uvas. El análisis de los resultados de las simulaciones indica que la máquina logra otorgar protección a la planta de Vitis vinífera de una helada de radiación para temperaturas del aire a 1,5 m de altura superiores a -5,15 °C. Por otro lado, la efectividad de la máquina es fuertemente influenciada por el valor de este y los demás parámetros de estudio, indicados previamente. Finalmente, se recomienda la utilización de un ángulo de rotor de 13 ° y una altura de la máquina de 3 m para la maximización del área de protección, junto con la utilización de las funciones polinómicas obtenidas en el trabajo para la estimación de la efectividad de la máquina a partir de datos específicos de la localidad.

Ingeniero Civil / El contexto general del problema que se quiere resolver en este trabajo de titulación está basado en la sustentabilidad aplicada en la construcción. El aporte informativo sobre materiales de cambio de fase PCM (Phase Change Materials) aplicados como materiales de construcción es una de las motivaciones de este trabajo, considerando que no existe más información sobre estos materiales aplicados bajo las características particulares de Chile. Es por ello por lo que se analizará la situación actual del país, con el objetivo de introducir al lector al contexto particular del problema que se busca resolver en el presente trabajo, el cual corresponde a la falta de un modelo de transferencia de calor para materiales de cambio de fase incorporados a ventanas. El objetivo principal de este trabajo de titulación es la implementación de un modelo de transferencia de calor para materiales de cambio de fase que están incorporados a ventanas en espacios de oficina, además se compararan resultados para distintos casos de estudio, incorporando al modelo distintos tipos de PCM, distintos climas, distintas épocas del año y distintas orientaciones de la ventana en el espacio de oficina. La metodología aplicada para desarrollar el trabajo de titulación consiste en una etapa de revisión bibliográfica, definición de las variables del modelo, validación del modelo sin PCM por medio de la comparación de temperaturas de la superficie interior de la ventana modelada en EnergyPlus y en Matlab, implementación de modelo en Matlab con la incorporación de materiales de cambio de fase, cálculo de confort térmico por medio del cálculo de índices como el voto estimado medio PMV (Predicted Mean Vote). Los resultados obtenidos de este trabajo muestran que dependiendo de las características del PCM, como la temperatura de activación o el calor latente del material se logra una mayor o menor reducción en los peaks de temperatura de la superficie de la ventana. En el caso de Santiago se obtiene una reducción del promedio de peaks de temperatura superficial de la ventana de 14°C al comparar un modelo con y sin PCM, esta reducción tiene un impacto en el confort térmico obteniendo una reducción del índice PMV de 1.5 a 0.9, lo cual es una mejora considerable al aplicar materiales de cambio de fase. Se generan resultados para distintos casos como se mencionó anteriormente y se obtienen resultados que indican que incorporar PCM al modelo reduce las temperaturas de la superficie de la ventana y en consecuencia genera una mejora en el confort térmico.

Magíster en Ciencias, Mención Geología / La ciudad de Coyhaique tiene serios problemas de contaminación ambiental, debido a la combustión de leña para calefacción. Este problema es crítico durante los meses de otoño e invierno, por lo que la ciudad fue declarada zona saturada por material particulado respirable MP10 debido a la concentración diaria y anual. Este trabajo propone utilizar bombas de calor geotérmicas para reemplazar el uso de leña y así contribuir a descontaminar la ciudad. Con este propósito se analiza el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica, con intercambiadores de calor verticales cerrados, para climatizar el edificio del Gobierno Regional de Aysén y entonces predecir la sustentabilidad técnica y económica de implementar esta tecnología en edificios de características similares. Para predecir la sustentabilidad técnica, se modela el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica con intercambiadores de calor verticales cerrados durante 25 años, considerando el requerimiento energético del edificio, la geometría de las unidades geológicas en profundidad, así como sus propiedades hidráulicas y térmicas, además de la circulación de agua subterránea. El modelo de transferencia de calor entre los intercambiadores de calor verticales cerrados y el subsuelo, así como el modelo de flujo de agua subterránea fueron realizados con software FEFLOW desarrollado por DHI. En el caso del edificio del Gobierno Regional de Aysén, el sistema de climatización geotérmico requiere 8 intercambiadores de calor verticales cerrados dobles, de 90m de profundidad, para entregar calefacción y refrigeración con un factor de planta de 11,2% en modo calefacción y 5,4% en modo refrigeración. Es importante calentar y refrigerar con el sistema de climatización, para renovar la temperatura del subsuelo después de las épocas de mayor demanda en el año (invierno y verano). Después de 25 años de funcionamiento del sistema, la zona de afectación térmica mayor que 0,5°C no sobrepasa los 20m, desde el arreglo de intercambiadores de calor en su máxima extensión, por lo que no se afecta el recurso geotérmico de los vecinos. Para predecir la sustentabilidad económica, se compara la geotermia con el aire acondicionado convencional, considerando la inversión inicial de ambas opciones y el ahorro económico en operación, debido al mejor rendimiento de la geotermia. No se consideran alternativas de combustión, porque no suplen demandas de calefacción y refrigeración. El escenario actual, indica un tiempo de retorno de la inversión de ~32 años para la geotermia, debido principalmente al elevado costo de perforación. Es importante considerar que esta tecnología es novedosa en el país y, por lo tanto, implica una alta inversión inicial en los primeros prototipos. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (FONDAP/CONICYT N° 15090013) en el marco del proyecto "Estimación y valorización del potencial geotérmico de Aysén" (Gobierno Regional de Aysén, proyecto BIP 303467723-0)