Ingeniero Civil / En la industría minera y otras áreas, se utilizan tuberías para transportar sólidos a grandes distancias. Cuando el material presenta una granulometría extendida, los gruesos pueden sedimentar, formando un lecho en el fondo. En cambio, la partículas finas suspendidas generan una mezcla que se comporta como un fluido con una reología distinta a la del agua. El presente trabajo es un estudio experimental, donde se investiga la condición de arrastre incipiente, la evolución temporal y la estabilidad de un lecho granular no cohesivo, sometido a la acción de un flujo laminar en presión de fluidos pseudoplásticos. Para llevarlo a cabo, se realizaron modificaciones a una instalación experimental, ubicada en el Laboratorio de Hidráulica Francisco J. Dominguez, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. La geometría tridimensional del lecho se registró con un sistema de medición no intrusivo, conocido como perfilometría por transformada de Fourier (FTP). Los fluidos no newtonianos se generaron con una dilución de carboximetilcelulosa (CMC) en agua. Para estudiar el arrastre incipiente, se realizaron 21 experimentos, cubriendo cuatro tamaños de partículas, cinco pendientes, y distintas concentraciones de CMC en peso, entre 0,4 y 0,5%. Los datos experimentales se clasificaron visualmente y se graficaron en un diagrama de Shields en función del número de Reynolds de la partícula, modificado para fluidos pseudoplásticos, Re_{*p}^K. Se obtuvo como resultado que las curvas parametrizadas para fluidos newtonianos subestiman la condición de arrastre incipiente. Se propuso una relación para predecir el fenómeno, \tau_{**lecho}^c = 0,18 (Re_{*p}^K)^{-0,73}, válida en el rango 0,31 < Re_{*p}^K < 2,52. La evolución del lecho se estudió a partir de 12 experimentos de cuatro horas de duración, cada uno. Con el sistema de medición FTP se registró la altura del lecho, inicialmente plano, sometido a la acción de un caudal constante y se determinaron las principales características geométricas de las formas de fondo: amplitud, celeridad y longitud de onda. Se obtuvo como resultado que la amplitud y la celeridad tienden a disminuir en el tiempo, provocando una disminución del gasto sólido de fondo, que es consecuencia de la ausencia de aporte de sedimentos desde aguas arriba a la zona de estudio. Por otra parte, no se observó un comportamiento definido de la longitud de onda. De los registros temporales, se observó que en algunos experimentos el lecho se volvió inestable, propiciando la aparición y migración de ondas sedimentarias tridimensionales. En otros casos, el lecho permaneció plano durante varias horas. Para estudiar la estabilidad, se construyó un diagrama que depende de tres parámetros adimensionales usados en diversos estudios para explicar estos fenómenos, modificados para incorporar la reología: el número de Shields, \tau_*; el número de Reynolds, modificado para fluidos pseudoplástico, Re_{KT}; y número de Galileo modificado, Ga_K. Los experimentos se clasificaron dentro del diagrama, obteniendo zonas de estabilidad e inestabilidad. / Este trabajo ha sido financiado por FONDECYT a través del proyecto de investigación N° 1161751

Orientador: Carlos Alberto Gasparetto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-07-22T01:32:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Braga_MariaElitaDuarte_D.pdf: 22648494 bytes, checksum: 70b6c896e2cf686622fe3599a924e819 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: No presente trabalho estudou-se as propriedades hidrodinâmicas de laranjas, indispensáveis ao desenvolvimento de um sistema de transporte hidráulico para a fruta. Como a maioria das correlações desenvolvidas para relatar comportamento de partículas em meio fluido envolve sua geometria, estudou-se a princípio o tamanho médio da laranja em termos das medidas dos três diâmetros mutuamente perpendiculares, forma em termos do grau de esfericidade, peso, volume, densidade, área projetada e área superficial. Tendo conhecimento prévio de que as indústrias de processamento de laranjas que implantaram o sistema hidráulico como meio para transportar seu produto fracassaram devido ao entupimento dos canais, procedeu-se neste trabalho um estudo detalhado do comportamento da fruta em água atentando-se para o problema ora apontado. Concluiu-se que a laranja estando sadia apresenta uma situação de equilibrio padrão com um ângulo de orientação, entre a columela central e o nível d'água, compreendido entre 14 e 25° quando imersas em água e que frutas estragadas ficam totalmente submersas, sendo este o possível motivo das obstruções e entupimentos dos canais usados para o transporte. Dentre as características hidrodinâmicas da fruta determinou-se a velocidade terminal da laranja, no caso, ascendente, no centro de um tubo cilíndrico de 0,25 m de diâmetro e 2,70 m de profundidade. A partir da velocidade terminal determinou-se o coeficiente de arraste e o efeito de parede segundo critério Kp, definido como a razão entre a velocidade terminal de uma esfera de diâmetro Dp em meio infinito e a velocidade terminal no centro de um tubo cilíndrico de diâmetro Dt. Estudou-se ainda no presente trabalho o arraste de laranjas em condições diversas de escoamento num canal de seção retangular medindo 4,00 m de comprimento x 0,20 m de largura e profundidade variável em que mediu-se a força de arraste variando-se também a altura da lâmina de água no canal. Ainda no canal foi feito um estudo do comportamento de uma fruta isolada e de um grupo de 2 e 4 laranjas durante escoamento, para todas as velocidades estudadas. / Abstract: The physical characteristics and hydrodynamic properties of oranges which are indispensable for a water transport of the fruit have been studied in this work. As most correlations developed to report the behavior of particles in a fluid media involve their geometry, at first the average size of oranges was studied in terms of the sphericity, weight, volume, projected area and surface area. Knowing beforehand that orange processing companies which implemented the hydraulic system as a means to transport their products have failed due to clogging of channels, a detailed study was conducted in this work on the behavior of the fruit in water, taking this problem into account. It was observed that, when oranges are healhy, they have a standard equilibrium situation with an orientation angle comprised between 14 and 25° when immersed in water and that spoiled fruit are totally submersed, which is probably the reason for blocking and clogging of the channels used for transportation. Among the hydrodynamic characteristics of the fruit, the terminal velocity of the orange,which in this caso is ascending, was determined, in the center of a 2.70 m deep cylindrical tube with a 0.25 m diameter.From the terminal velocity, the drag coefficient was determined and the wall effect according ,to the criterion Kp, defined as the ratio between the terminal velocity of a sphere of diameter Dp in an infinite media and the terminal velocity in the center of a cylindrical tube of diameter Dt. Also in this work the dragging of oranges was studied under several flow conditions in a channel of rectangular section with a lenght of 4.00 m X width of 0.20 m and variable depth, in which the dragging force was measured, while varying also the height of the water sheet in the channel. Another study was made in the channel on the behavior of a separate fruit and a group of 2 and 4 oranges during the flow, at all velocities studied. / Doutorado / Doutor em Engenharia de Alimentos

Ingeniero Civil Mecánico / En la industria minera muchas veces se requiere transportar fluidos a través de grandes distancias, fluidos que tienen una fase líquida (generalmente agua) y una fase sólida. Los canales abiertos o canaletas son bastante utilizados para el transporte de relaves debido a su mayor facilidad para la inspección y mantención. Por este motivo, es importante estudiar el impacto que tienen las curvas en el transporte de relaves y como mejorar el diseño a través del estudio del comportamiento del fluido en éstas. En el presente trabajo se estudia el comportamiento del flujo en canaletas en presencia de curvas y el desgaste producido en ellas debido a las características abrasivas de los relaves, a través de un software CFD (Computational Fluid Dynamics). Para esto se comparan canaletas con distintos radios de curvatura, para analizar la influencia de este parámetro sobre la altura máxima de escurrimiento y la tasa de erosión producida en las paredes de la canaleta. Las simulaciones se llevan a cabo en tres etapas. En primer lugar se efectúa una simulación bifásica para obtener una solución fluidodinámica del problema. Luego a través de una inyección de partículas se puede apreciar la trayectoria de éstas. Finalmente se calcula a través de la simulación la tasa de desgaste producida en las paredes de la canaleta. El análisis de resultados se realiza para cada canaleta en particular, para posteriormente comparar los resultados entre ellas, analizando así las semejanzas o diferencias que existan entre cada uno de los casos. Finalmente se concluye sobre la influencia del radio de curvatura sobre las variables de interés y se plantean recomendaciones para trabajos futuros.

Ingeniera Civil Mecánica / En Chile la forma más utilizada de transporte de relaves en la minería del cobre es mediante tuberías o canaletas abiertas, aprovechando la topografía del lugar. Se cuenta también con cajones de distribución los que además de ayudar a disipar energía permiten distribuir el relave a distintas zonas, según los requerimientos del proceso. Con la escasez de agua en el norte del país la tendencia es a utilizar relaves de mayor concentración de sólidos, realizar esto podría producir problemas de desgaste y sedimentación, por lo que en esta memoria se estudiará como afecta el cambio de la concentración de sólidos en un cajón de distribución. El objetivo general de este trabajo es estudiar el comportamiento fluidodinámico de relaves de diferentes concentraciones en un cajón de distribución mediante un software CFD. Para cumplir el objetivo general, en primer lugar se dimensiona un cajón de manera analítica, como se haría en una empresa de ingeniería. Luego de esto, se modela la geometría utilizando el software Solid Edge, para posteriormente realizar una simulación del relave en el software Ansys Fluent. La simulación se realiza utilizando un modelo multifasico con dos fases continuas (agua y relave) sin partículas, donde la fase correspondiente al relave presenta una viscosidad y densidad como si tuviese una concentración de 45% de sólidos en peso (concentración utilizada para dimensionar el cajón). Contando ya con una solución coherente y habiendo hecho los cambios a la geometría necesarios para ello, se realizan simulaciones para concentraciones de sólidos de 35, 55 y 65% (en peso), manteniendo el caudal de sólidos fijo. Finalmente, utilizando un modelo de fase discreta, se inyecta un caudal de partículas a las soluciones generadas, lo que permite analizar las trayectorias de las partículas y la erosión que provocan. A través de los resultados obtenidos se observó que el cajón presenta un gran porcentaje de partículas con trayectoria incompleta, el cual aumenta con el incremento de la concentración. Se observó que para altas concentraciones se produce distribución dispar de caudales en las salidas. En cuanto al desgaste, se pudo ver que para bajas concentraciones la tasa de erosión es mayor en la base del cajón, mientras que para altas concentraciones la tasa de erosión es mayor en las paredes de la zona de recepción de relaves del cajón. En cuanto a la sedimentación, esta se incrementa en las descarga, pero disminuye en la zona de recepción con el incremento de Cp, mientras que para la entrada los efectos son menos desfavorables a Cp bajos, a pesar de que la zona de sedimentación incremente en esos Cp. A través de este estudio se concluye que la geometría del cajón, en sí, no es buena, por lo que se sugieren algunas modificaciones a esta.

A argila bentonítica é amplamente utilizada em transporte de sólidos produzidos durante perfuração de poços. Teve por objetivo estudar o escoamento de misturas bentonita-água e determinar suas propriedades reológicas e parâmetros hidráulicos úteis nos projetos de instalações de recalque de misturas sólido-líquido. Foi montado um circuito fechado de tubulações para estudar dados de perda de carga e perfis de velocidade. Realizaram-se ensaios com misturas bentonita-água sob varias concentrações, algumas transportando areia. Observaram-se que a reologia da mistura bentonita-água é melhor descrita pela formulação de Herschell-Bulkley para fluidos não-Newtonianos. O coeficiente de atrito para descrever a perda de carga da mistura bentonita-água observada em tubulações no laboratório coloca-se entre as previsões de Tomita (1959) e Szilas et al (1981). A variação da velocidade da mistura na seção transversal do tubo é melhor aproximada pela equação de Bogue-Metzner (1963). / The bentonite clay is extensively used in transport of solids produced during in water well drilling. This research is aimed at studying the flow of bentonite clay-water mixture through the determination of its rheological properties and its hydraulic parameters useful in the design of pumping installations. A closed pipeline circuit was set up in the laboratory to observe head-loss and velocity profiles. Flow experiments were conducted with bentonite-water mixtures at various concentrations, some transporting sand. It was observed that the rheology of bentonite-water mixture is described well by the Herschell-Bulkley formulation for non-Newtonian fluids. Friction factors for describing the head-loss of the mixtures observed experimentally in the pipelines lie between the prediction of Tomita (1959) and Szilas el al. (1981). The variation of mixture velocity in the cross-section of the pipes is aproximated closely by the Bogue-Metzner (1963) model.

A argila bentonítica é amplamente utilizada em transporte de sólidos produzidos durante perfuração de poços. Teve por objetivo estudar o escoamento de misturas bentonita-água e determinar suas propriedades reológicas e parâmetros hidráulicos úteis nos projetos de instalações de recalque de misturas sólido-líquido. Foi montado um circuito fechado de tubulações para estudar dados de perda de carga e perfis de velocidade. Realizaram-se ensaios com misturas bentonita-água sob varias concentrações, algumas transportando areia. Observaram-se que a reologia da mistura bentonita-água é melhor descrita pela formulação de Herschell-Bulkley para fluidos não-Newtonianos. O coeficiente de atrito para descrever a perda de carga da mistura bentonita-água observada em tubulações no laboratório coloca-se entre as previsões de Tomita (1959) e Szilas et al (1981). A variação da velocidade da mistura na seção transversal do tubo é melhor aproximada pela equação de Bogue-Metzner (1963). / The bentonite clay is extensively used in transport of solids produced during in water well drilling. This research is aimed at studying the flow of bentonite clay-water mixture through the determination of its rheological properties and its hydraulic parameters useful in the design of pumping installations. A closed pipeline circuit was set up in the laboratory to observe head-loss and velocity profiles. Flow experiments were conducted with bentonite-water mixtures at various concentrations, some transporting sand. It was observed that the rheology of bentonite-water mixture is described well by the Herschell-Bulkley formulation for non-Newtonian fluids. Friction factors for describing the head-loss of the mixtures observed experimentally in the pipelines lie between the prediction of Tomita (1959) and Szilas el al. (1981). The variation of mixture velocity in the cross-section of the pipes is aproximated closely by the Bogue-Metzner (1963) model.

Ingeniero Civil / En el proceso de diseño de sistemas de transporte de concentrado de mineral, es primordial contar con una metodología base para el cálculo hidráulico que se ajuste al comportamiento que tendrá el sistema cuando entre en operación. En particular, el cálculo de la pérdida de carga en concentraductos impacta en la selección de equipos de bombeo, como también en la selección de espesores de la tubería y en el diseño de estaciones de disipación. Esto afecta el costo de inversión del proyecto, como también los costos operacionales que tendrá durante su vida útil. Este trabajo comienza con una revisión bibliográfica sobre los métodos de pérdida de carga friccional en mezclas sólido-líquido transportados por tuberías. Enfocándose en los supuestos que cada método utiliza en su construcción, se elige el método de Wasp como un buen punto de inicio de comparación y análisis de la dependencia que tiene sobre ciertos parámetros. La definición de estos parámetros es usualmente el principal desafío de un proyecto de ingeniería del diseño de un mineroducto y sus elementos importantes. En base a evidencia empírica correspondiente a datos operacionales de pruebas en un sistema de recirculación de concentrado de bauxita o circuito de prueba, se calcula la pérdida de carga friccional y se compara con la predicción entregada por diferentes formas del método de Wasp, entregándose finalmente una recomendación respecto del método que presente el mejor ajuste. El análisis metodológico se basa en la bibliografía disponible aplicable al cálculo de la pérdida de carga de mezclas sólido-líquido, donde es posible notar la baja cantidad de información de laboratorio o de instalaciones en faenas mineras de cobre, hierro o bauxita (presentes en la industria minera sudamericana), en claro contraste con otras actividades como dragado o extracción de crudo de cobre en diferentes lugares del mundo. Los datos de laboratorio de autores cuyos trabajos integran las bases teóricas del diseño de concentraductos están construidas sobre experiencias con materiales como mezclas de agua con arenas, grava y carbón, relave de zinc actual en compañías de ingeniería en Chile y el mundo. Esto genera la necesidad de crear factores de ajuste usualmente aplicados a través de función lineal. A la luz de lo anteriormente expuesto, nace la necesidad de, en primer lugar, evaluar el desempeño de las pruebas de datos operacionales disponibles . Luego, de acuerdo a las bandas de error obtenidas y la variabilidad de los parámetros de cada método, se ha optado por presentar un modelo semi-ajustado basado en el método de Wasp, y otro ajustado, de acuerdo a la bibliografía consultada, para posteriormente evaluar y proyectar la continuidad en futuros trabajo dirigido a modelos que representen cada vez de mejor manera este fenómeno.

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Ingeniero Civil Matemático / Este trabajo consta de 2 capítulos. El primer capítulo trata sobre el estudio de ondas de sedimento en el transporte hidráulico de sólidos en tubería (THST). El primer objetivo de este capítulo es estudiar la solución clásica de la ecuación hiperbólica de Exner o de conservación de sedimento 1-d para una canaleta rectangular con la hipótesis de Exner sobre el gasto sólido. La solución clásica de esta ecuación esta dada por una ecuación implícita, sin embargo, es posible encontrar la solución para la condición inicial de una onda sinusoidal. Con esta información se descarta la solución clásica ya que no es físicamente posible. Posteriormente se desarrolla un algoritmo que nos permite encontrar la solución débil del problema y verificar que esta solución si corresponde a un fenomeno físicamente posible. El segundo objetivo de este capitulo es levantar la hipótesis de Exner y formular un modelo más realista para el gasto sólido en el caso de la canaleta rectangular y de la tubería utilizando el modelo de Meyer-Peter y Muller y encontrar las soluciones débiles respectivas. Para encontrar la solución débil del problema con la hipótesis de Exner y el problema con el modelo de Meyer-Peter y Muller para el gasto sólido en una canaleta rectangular y la tubería se desarrollo un algoritmo numérico basado en el método de Galerkin discontinuo con límite de salto y se utilizo MATLAB para su desarrollo. Se utilizaron los datos de las mediciones experimentales de Coleman y García para validar el modelo para la canaleta rectangular. Esto se hace comparando las velocidades que alcanzan las ondas de sedimento simuladas con los modelos numéricos con las experimentales obteniendo resultados satisfactorios. El segundo capítulo de este trabajo es sobre la modelación de un reómetro de paletas.El primer objetivo de este capítulo es plantear las ecuaciones de Cauchy para un fluido Newtoniano y un fluido Bingham en un sistema de referencia no inercial que es solidario a las paletas. Un segundo objetivo es desarrollar un algoritmo que resuelva las ecuaciones y obtener una expresión para el Torque aplicado sobre las paletas en terminos de la geometría y la solución de las ecuaciones de Cauchy. Para esto se desarrollaron algoritmos basados en un método de punto fijo en el caso Newtoniano que transforma el problema no lineal en una sucesión de problemas lineales. En el caso Bingham se utilizo un método de tipo Uzawa que mediante equivalencias de problemas es posible reducir él problema no lineal a una sucesión de problemas lineales y utilizando un algoritmo alternante se resuelve el problema numéricamente. Para el desarrollo de estos algoritmos se utilizó Matlab.