Este trabajo se desarrolló en el marco del Proyecto Fondef 2-36 "Mejoramiento del prefrío en la industria de fruta fresca nacional de exportación. Efecto sobre calidad y precios". El comportamiento de un envase frente al flujo de aire es determinante para lograr un enfriamiento rápido de la fruta (lo cuál permitirían procesar mayor cantidad de fruta con la misma capacidad instalada). Se investigó la resistencia al flujo de aire de los envases paletizables de fruta. El objetivo fue obtener relaciones de caída de presión en función de la velocidad del aire de enfriamiento, en pallets de cajas de madera y cartón utilizadas para empacar fruta de exportación, uva y Kiwi.

Uno de los principales factores que modifica el transporte de sustancias en aguas someras es la presencia de fuertes cambios laterales de la sección transversal, los cuales generan zonas de recirculación de gran escala que intensifican los procesos asociados a la dispersión de masa. Además de los efectos físicos inducidos por estas zonas, ellas han mostrado una importante contribución a la generación de condiciones hidrodinámicas mejoradas para estimular el crecimiento de la flora y fauna acuática. Estas estructuras del flujo reciben el nombre genérico de zonas muertas y se pueden formar por modificaciones naturales o artificiales de la morfología. En este trabajo se presenta una descripción experimental de la estructura del flujo en zonas muertas formadas por una secuencia de bloques, para la llamada condición de flujo emergida. En esta condición de flujo, la cota superior del bloque es mayor a la del nivel de la superficie de agua y debido a esto el intercambio de masa y momentum ocurre solamente a través de la capa de corte generada en la interfaz entre la zona muerta y el flujo principal. Estudios anteriores han mostrado las características horizontales, normalmente en la superficie, y, debido a esto, la principal contribución de este trabajo es la descripción de la estructura vertical del flujo. Esta descripción es importante porque provee información relevante para la comprensión de la condiciones de flujo cercanas al lecho, donde ocurren gran parte de los procesos ecológicos. Este trabajo también contribuye con la descripción de las características cuasi-bidimensionales y tri-dimensionales de las zonas muertas, la identificación de estructuras coherentes, y la influencia de la distancia entre bloques en los procesos físicos que gobiernan el intercambio de masa y momentum. Para realizar los experimentos, uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo de una técnica sinóptica de velocimetría basada en el procesamiento de imágenes. Esta contribución experimental está basada en nuevas modificaciones de algoritmos para Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV), y en su integración en un algoritmo de dos etapas. La nueva contribución es llamada “Integrated Cross-Correlation / Relaxation Method”, ICCRM, y fue especialmente diseñada con el objetivo de ser una herramienta flexible para investigar flujos con gradientes de velocidad intensos y condiciones de sembrado de partículas no homogéneas. Los resultados experimentales obtenidos de la aplicación del ICCRM al flujo en estudio muestran que las estructuras formadas en la capa de corte que se produce en la interfaz entre el flujo principal y la zona muerta impactan periódicamente el bloque de aguas abajo con una distribución vertical de velocidad caracterizada por una magnitud máxima a media profundidad. El impacto con el bloque da lugar a un sistema de vórtices de eje horizontal, paralelo a los bloques, el cual es transportado hacia el interior de la cavidad. El flujo que penetra a la zona muerta energiza un sistema de circulación horizontal de una o más celdas, dependiendo de la razón de aspecto analizada (relación entre la longitud de los bloques y su separación longitudinal), con una estructura vertical bastante uniforme en términos de la velocidad media. Esto valida la suposición de flujo bidimensional en gran parte de la región de flujo al interior de la cavidad. Sin embargo, los parámetros representativos de la turbulencia (esfuerzos de Reynolds, pseudo-energía cinética turbulenta, espectros de energía, etc.) y las estructuras responsables del intercambio de masa entre la zona muerta y el flujo principal son claramente tri-dimensionales.

Ingeniero Civil Mecánico / El Convertidor Teniente (CT) es un reactor pirometalúrgico cuya función es llevar a cabo el proceso de fusión-conversión de concentrado de cobre mediante la inyección de aire a través de toberas sumergidas en el baño líquido. Es posible, mediante maquetas frías que funcionan con agua y aire comprimido, estudiar la fluidodinámica del baño de un CT real. Fenómenos como regímenes de inyección, formación de estados de oscilación y trayectoria del gas, son fácilmente reproducibles y observables en estas maquetas. El Instituto de Innovación en Minería y Metalurgia (IM2) posee este tipo de maquetas a escala, maquetas 3D completas y tajadas, en donde se estudia diferentes condiciones de operación, intentando traspasar los resultados de alguna variación en la operación de estas maquetas al CT real, ya sea para aumentar la tasa de conversión, reducir el desgaste de los refractarios internos del CT o para obtener mejores condiciones de operación a las actuales. Por otro lado, los modelos numéricos ofrecen una alternativa bastante robusta, en el sentido de que en ellos es posible registrar de una manera mucho más fácil parámetros como la presión y la velocidad. En estos modelos es posible apreciar, gracias al registro de imágenes en escalas de tiempo pequeñas, fenómenos como la formación de burbujas o el estado de oscilación de la superficie libre. Sin embargo, los modelos numéricos requieren una construcción geométrica precisa y un seteo numérico riguroso de los parámetros fluidodinámicos en pos de la obtención de resultados confiables y representativos. Últimamente, mediante la utilización de computadores en cluster, conjuntos de computadoras con hardware compartido y que funcionan como si fuesen una única computadora mucho más rápida, es posible la solución de estos modelos numéricos con la incorporación de mallas mucho más finas que las que hasta el momento se utilizaba. Esta alternativa ha hecho posible, por primera vez en este tipo de problema, validar la densidad de malla utilizada en la solución de estos modelos, cuestión que les confiere una validez adicional. En este trabajo se ha simulado mediante dos modelos, uno 3D completo a escala 1:5 del CT real y uno slice o tajada, la operación de las maquetas frías. Se ha comparado los resultados de ambos modelos, obteniendo como uno de los principales resultados, que el modelo slice reproduce una física mucho más realista de los fenómenos gracias a la posibilidad de una reducción mayor que en el modelo 3D completo, del tamaño de los elementos componentes de la malla. Se ha visto además que no existe una pérdida importante, en cuanto a la reproducción del comportamiento del baño, pasando desde el modelo 3D completo, al modelo slice. Por otra parte, una de las alternativas que se utiliza para lograr una mayor tasa de conversión es inyectar una mayor cantidad de aire a través de las toberas. En este trabajo se ha probado la inyección de aire a través de una segunda tobera en la parte inferior en del modelo slice, sumándose a la inyección lateral tradicional. Se ha inyectado por la tobera inferior mediante dos tasas de inyección y se comparado con la forma tradicional de inyección, encontrándose que es posible obtener un estado de agitación y mezcla mucho más propicio para el proceso de fusión-conversión, sin generar un comportamiento del baño que vaya en desmedro de la operación de la maqueta de CT y del posible desgaste acelerado de refractarios internos del CT real.

El flujo a través de las tubomáquinas en general y de las bombas centrífugas en particular, presenta componentes no estacionarias, inducidas por distintos tipos de mecanismos, que dan lugar a la excitación de ruido y vibraciones. En el caso de las bombas centrífugas más habituales (con voluta y sin difusor de aletas) destaca el ruido generado a la llamada frecuencia de paso de álabes, como consecuencia de la interacción fluidodinámica entre los álabes y canales del rodete y la voluta, especialmente en la zona de la lengüeta. La magnitud de esta excitación, que es muy dependiente de la geometría y del caudal bombeado, puede resultar excesiva bajo ciertas condiciones de operación, por lo que se trata de un fenómeno de interés tanto científico como tecnológico. La investigación que se presenta ha tenido como propósito general el desarrollo y aplicación de una metodología adecuada para la caracterización de la generación del ruido tonal a la frecuencia de paso de álabes en el interior de una bomba dada, de forma que se pueda identificar y cuantificar la contribución de la interacción fluidodinámica rodete-voluta. Esta investigación se ha desglosado en varias líneas de actuación complementarias, que se indican a continuación. Por un lado se planteó la elaboración de un modelo acústico simple para el cálculo del campo sonoro en el interior de las bombas ante la presencia de una o más fuentes acústicas ideales (monopolos o dipolos). Este modelo acústico permite la modificación arbitraria de la posición de los focos, su potencia sonora (a la frecuencia de paso de álabe) y la fase temporal de emisión de los mismos, admitiendo en todos los casos propagación en modo de onda plana a lo largo de los canales del rodete, de la voluta, del difusor de salida y de las conducciones. Tras contemplar dos modelos diferentes, con distintos grados de complejidad, se optó finalmente por un modelo basado en la descomposición de la voluta en pequeños tramos o elementos, cada uno de ellos equivalentes a un sistema acústico lineal de tres puertos. Por otro lado se llevaron a cabo ensayos en laboratorio sobre una bomba centrífuga con una velocidad específica de 0.47 y un intersticio rodete-voluta del 11.4%, instrumentada con transductores de presión piezoeléctricos, con el objeto de medir la amplitud y la fase de las fluctuaciones de presión a la frecuencia de paso de álabes sobre un amplio número de posiciones a lo largo de la voluta y de los conductos de la bomba. Estas medidas se realizaron para 17 puntos de funcionamiento de la bomba, desde caudal nulo hasta un 160% del caudal nominal, a fin de mostrar el efecto del caudal sobre la magnitud y características del campo de fluctuaciones. Con la misma instrumentación también se realizaron ensayos de caracterización de las propiedades de reflexión sonora de la bomba desde su puerto de impulsión, cuyos resultados se emplearon para contrastar las predicciones de los dos modelos acústicos propuestos y seleccionar el más adecuado. A continuación se procedió a desarrollar un programa general de cálculo que, incorporando un procedimiento para el modelo acústico de la bomba finalmente seleccionado, permite la variación iterativa de las propiedades básicas de las fuentes sonoras ideales, hasta llegar a identificar al grupo de fuentes que proporcionan el mejor ajuste posible entre el campo sonoro predicho y el conjunto de datos experimentales sobre fluctuaciones de presión. En cada caso la bondad del ajuste se ha evalúa por minimización de errores cuadráticos, mediante un coeficiente de determinación definido expresamente para esta aplicación. Este programa general de cálculo se ha aplicado sistemáticamente sobre la bomba de ensayo para cada punto de operación, considerando distintos tipos y números de fuentes ideales. Los resultados indican que la emisión sonora a la frecuencia de paso de álabe se puede aproximar razonablemente a la de dos únicas fuentes ideales situadas en la zona más estrecha de la voluta, confirmando pues que el origen de la emisión estriba en la interacción fluidodinámica rodete-lengüeta. En el caso del rango del caudal nominal así como para caudales elevados, esas dos fuentes ideales son dos dipolos acoplados como un cuadripolo longitudinal, que emite sonido en fase con la pulsación hidráulica (pseudoruido) asociada al paso de los álabes frente a la zona de los dipolos. En cambio, en el caso de caudales menores del nominal esas dos fuentes ideales son monopolos acoplados como un dipolo, que emite sonido con una fase dependiente del vórtice de recirculación de la zona de salida de los canales del rodete. Como era de esperar, tanto a carga parcial como en sobrecarga la magnitud de emisión tiende a aumentar con el alejamiento respecto al caudal nominal de la bomba.

Esta tesis, consistente en una recopilación de artículos de investigación originales autocontenidos, se ocupa del estudio de los mecanismos físicos que explican algunas características de la dinámica de convección térmica con aplicación a convección penetrativa, frecuentemente observada en lagos y reservorios chilenos. Este fenómeno consiste en la aparición de un campo de flujo derivado del enfriamiento superficial de una masa de de fluido donde potencialmente puede existir una estratificación de densidad previa. Si bien este problema ha sido extensivamente estudiado empleando experimentos de pequeña escala (desde 1 mm hasta unos pocos centímetros), no es el caso para sistemas naturales de mayor tamaño, donde los flujos son comúnmente turbulentos y la dinámica asociada está además acoplada con perturbaciones espaciotemporales, incluyendo temperatura ambiente y vientos locales. El presente trabajo se ocupa de algunas de estas interrogantes, incluyendo las condiciones requeridas para la aparición de convección penetrativa bajo condiciones de borde térmicas que dependen del tiempo y suponiendo ausencia de viento. Primero, se consideró el caso más simple de un enfriamiento superficial repentino, modelado como una capa horizontal infinita, inicialmente en reposo, de fluido de Boussinesq. La siguiente fase de este estudio consistió en la elaboración de un modelo teórico simplificado, propuesto como una base para dar cuenta de la estabilidad de sistemas de pequeña escala frente a patrones de forzamiento térmico sinusoidales, buscando así un símil al efecto de enfriamiento vespertino o nocturno en lagos en los casos donde además hay turbulencia media nula antes del comienzo del flujo convectivo. Un segundo aspecto de este trabajo de tesis fue el estudio del efecto de la presencia de fuentes y sumideros térmicos cercanos. Para condiciones débiles de calentamiento y enfriamiento, se ha encontrado que el estudio de esta configuración es equivalente al estudio de la interacción entre plumas térmicas y corrientes de densidad en régimen laminar. Se ha perseguido los objetivos mencionados empleando una combinación de métodos, incluyendo simulaciones numéricas, técnicas analíticas de perturbación para el estudio de la estabilidad de los sistemas referidos modelados a través de las ecuaciones de Navier-Stokes y energía, además de la realización de experimentos. En este último caso, se propone una técnica de medición simultánea de los campos vectoriales de velocidad (usando PIV) y gradiente de densidad (usando schlieren sintético). La naturaleza inherentemente delicada de los experimentos llevados a cabo hizo necesario el desarrollo de sistemas de control ad-hoc. Como resultado de estas actividades, ha sido posible vincular las propiedades del fluido con parámetros adimensionales (incluyendo los números de Prandtl y Rayleigh), para dar cuenta de los tiempos de inicio de convección y frecuencia de forzamiento térmico en la superficie (entre otros). Del estudio de inhomogeneidades espaciotemporales, se encontró que las plumas térmicas bidimensionales laminares pueden sobrevivir el impacto con una corriente de gravedad modificando, sin embargo, su posición original.

El presente trabajo de tesis estudia la interacción de anillos de vorticidad laminares bajo una topología tridimensional. Se realizaron distintos experimentos y simulaciones numéricas para estudiar la dinámica entre anillos y también con otros tipos de flujos. En todos los casos analizados, el fluido considerado es aire. Como primer caso, se estudió el impacto frente a frente de un anillo de vorticidad contra una placa calefactora de dimensiones comparables al anillo en vuelo libre. Se analizó el impacto de anillos contra la placa calefactora en posición tanto vertical (régimen de convección natural) como horizontal. La placa se mantuvo a temperatura constante bajo control PI y se midió la potencia eléctrica disipada durante el impacto para distintos anillos, caracterizados en términos del número de Reynolds del anillo Re (100<Re<900). La potencia disipada mostró un aumento súbito durante el impacto, cuyo valor máximo alcanzado crece al aumentar Re. Se realizó un análisis del transiente de potencia para el caso de placa vertical, el cual reveló un mecanismo dual durante el impacto, donde la dinámica al inicio es comandada principalmente por el anillo y que es responsable del aumento abrupto en la potencia disipada. Una vez que el anillo ha disipado parte de su energía, la dinámica es comandada por la capa límite generada por el calefactor. A medida que el anillo es advectado, la potencia retorna a su valor en régimen estacionario. Se estudió también la dinámica del mismo problema, utilizando un sistema de PIV estéreo. Se midió el campo de velocidad en la zona de impacto y se compararon los resultados para placa calefactora apagada y encendida. El impacto de anillos sobre la placa calefactora reveló la formación de la inestabilidad azimutal de Widnall, en términos de un patrón periódico en la componente de vorticidad normal a la placa durante el impacto. El proceso de impacto genera también altos gradientes de velocidad en las cercanías de la placa calefactora, los cuales son mayores para el caso isotermo. Aparentemente, la presencia de la capa límite generada por el calefactor amortigua el proceso de impacto. Finalmente, se estudió la interacción entre anillos de vorticidad bajo distintas configuraciones geométricas. Como primera configuración, se analizó el impacto frente a frente de dos anillos con distinta velocidad autoinducida y tamaños similares, utilizando anemometría de hilo caliente y visualizaciones de flujo. Se encontró un descenso abrupto de la energía cinética durante el impacto de anillos, el cual se hace más pronunciado cuando las velocidades autoinducidas son similares. Visualizaciones de flujo mostraron que el anillo más energético es capaz de deformar al menos energético durante el impacto, el cual aumenta su díametro drásticamente mientras el anillo más energético atreviesa por el centro. Posteriormente, ambos anillos siguen sus trayectorias originales, con velocidades autoinducidas menores como consecuencia del impacto. Se realizaron simulaciones numéricas de este problema utilizando el software CFD comercial Fluent. En términos generales, se obtuvo la misma dinámica encontrada en los experimentos previos. Una vez validada la metodología numérica, se simuló el impacto del tres anillos de iguales características, con sus ejes de simetría a 120° entre sí. El impacto de tres anillos bajo esta configuración mostró también un descenso abrupto de la energía cinética. Las simulaciones realizadas también revelaron reconexión de los tubos de vorticidad de los tres anillos, formando dos nuevos anillos que salen eyectados desde la zona de interacción.

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.