Se estudian aspectos de la generación nucleoeléctrica, a fin de establecer algunos conceptos a considerar para la posible incorporación de potencia nuclear a la matriz energética chilena. Un aumento de un 6% anual de la demanda energética nacional, crecientes dificultades de suministro de gas natural e hidroelectricidad, así como una reducida incidencia de las energías alterativas, motivan el interés por considerar la inclusión de energía nuclear en nuestra matriz energética a mediano o largo plazo. Se enfatiza en este estudio el aspecto termohidráulico de la recuperación de la energía generada en el núcleo de un reactor. Se describe la tecnología de reactores nucleares, que en su constante evolución desde los años 50, ha creado la llamada tercera generación de modelos, basados en mejoras de los sistemas previamente existentes de reactores de agua en ebullición y de agua presurizada, ampliamente operados y analizados. Del estudio se desprende que son éstos últimos los que presentan mayores perspectivas para su aplicación en Chile, dado nuestro grado de evolución tecnológica. Se ha identificado tres diseños similares de reactores de 1000 [MW(e)], producidos por empresas líderes en el mundo en la fabricación de estos dispositivos. En base a criterios termohidráulicos, y considerando la capacidad del sistema interconectado de incluir nuevas centrales, se identifica el reactor más factible de aplicar en nuestro país (AP1000 de Westinghouse). Para dicho modelo de reactor, se realizó un análisis termohidráulico, consistente en balances energéticos en la fase de generación de calor en el núcleo del reactor, donde se realiza la transferencia de energía a un fluido primario presurizado (agua). Luego el fluido primario transfiere calor a un fluido secundario (agua en ebullición), que realiza un ciclo Rankine sin sobrecalentamiento. Los resultados principales son los caudales de fluidos, presiones, y temperaturas en la operación normal y estacionaria de estos reactores, cuyas dimensiones son de dominio público. Las temperaturas alcanzadas son especialmente críticas en cuanto a la seguridad de operación. En particular, se obtiene una temperatura máxima en el núcleo de 1401 [K] (temperatura más alta en todo el sistema), mientras que en el intercambio entre fluido primario y secundario, la pared de los tubos del intercambiador térmico alcanza 560 [K]. Los cálculos implementados son del tipo contraparte, en que se analiza la performance de un equipo que es ofrecido para su adquisición. Tales cálculos son gran importancia en el caso de evaluar tecnologías transferidas desde el exterior, especialmente tan complejas como las de generación nucleoeléctrica.

La minería es una de las actividades económicas más importantes de nuestro país. Las pastas de relaves son los principales desechos generados por las faenas mineras, y su disposición suele ser un problema complejo para esta industria. En general, estas pastas tienen un comportamiento reológico no-Newtoniano, tipo plástico de Bingham. Esta memoria de título aborda el problema del comportamiento hidráulico de las pastas de relaves al fluir sobre una superficie inclinada. Las pastas son representadas por mezclas de bentonita con agua, las que se comportan como un plástico de Bingham. Se experimentó con una descarga puntual sobre un plano inclinado, en una instalación experimental especialmente diseñada para este estudio, ubicada en el Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil. Previo a los experimentos, los lodos bentoníticos fueron caracterizados reológicamente, en ensayos realizados en las dependencias de la empresa Brass Chile S.A., determinándose sus parámetros reológicos, en función de la concentración de bentonita. Los experimentos cubrieron cinco concentraciones de bentonita, cuatro pendientes del plano, y cuatro caudales, sumando alrededor de ochenta experiencias, registrándose perfiles longitudinales y transversales de altura, y el ancho máximo alcanzado por el escurrimiento. Los perfiles fueron determinados a partir de la variación que presenta la intersección de un plano de iluminación láser con la superficie libre, respecto al fondo. El procesamiento y posterior análisis de los resultados permitió identificar las leyes de resistencia del flujo, tanto para la condición estable como con la presencia de ondas rodantes, resultando en una relación entre el número de Froude y el número de Reynolds, este último caracterizado a partir de una viscosidad equivalente, la que incorpora el esfuerzo de fluencia y el coeficiente de consistencia. Se encontró que la condición de inestabilidad está bien representada por el criterio de Coussot. También se determinó que el ancho máximo alcanzado por el flujo escala con la altura máxima de la sección.

Ingeniero Civil Mecánico / El tema a tratar en este trabajo de título corresponde al modelamiento fluidodinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes que opere con relaves. Este trabajo está orientado a realizar un análisis por volúmenes finitos a una porción del fluido entre los álabes de la turbina, con el propósito de aprovechar eficientemente el recurso hidráulico disponible. Este tema está motivado principalmente por la búsqueda de nuevas fuentes de energía eléctrica limpia y rentable. El objetivo general de este trabajo de título es realizar un modelamiento fluido dinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes (sinfín), con el fin de determinar la potencia máxima de generación en función de la RPM, para un caudal de relaves que transitan por un canal rectangular. Como objetivos específicos se tienen: elaborar un modelo basado en un volumen de control para determinar potencia; analizar la dependencia de la potencia respecto de la velocidad de rotación; desarrollar un modelo en CFD, para determinar esfuerzos sobre los álabe, carcasa y eje, calcular torque en turbina usando agua como fluido de trabajo; determinar revoluciones adecuadas para mejorar potencia; y modelar el comportamiento del relave en espacio entre álabes. La metodología cuenta como primera etapa la recopilación y análisis de los desarrollos actuales del tornillo de Arquímedes utilizado como turbina. También se analizan antecedentes de la turbina operando con agua, sus dimensiones y condiciones de operación. Posteriormente se implementa un modelo computacional usando volúmenes finitos en el software Ansys para determinar el comportamiento de un cubo de agua y su influencia sobre la potencia total de tornillo, tanto para la operación con agua como para la operación con relaves,. Los resultados de este análisis entregan las revoluciones adecuadas para lograr el máximo provecho del recurso. Como resultados se obtienen los esfuerzos de presión y de corte sobre todas las caras del volumen, se registra una disminución del momento total a medida que aumentan las revoluciones de operación. La componente del momento debido a la presión en el álabe inferior es la encargada de transmitir la mayor cantidad de momento al eje y esta depende mayormente del peso del fluido, Los esfuerzos de corte que se generan en la superficie del volumen se oponen al movimiento del mismo y este comportamiento se intensifica a medida que aumentan las revoluciones. Las conclusiones de este trabajo reflejan que en el caso de maximizar potencia son predominantes las revoluciones de operación por sobre los esfuerzos viscosos que se oponen al movimiento de la turbina. La máxima RPM posible para el caudal disponible del canal de relave es 10RPM.

Ingeniero Civil Matemático / El objetivo de este trabajo es revisar la historia de un problema formulado hace ya más de 250 años, y que todavía no ha abandonado el terreno de la conjetura. De hecho, las ecuaciones de Euler y de Navier - Stokes en tres dimensiones espaciales constituyen hoy en día un desafío para matemáticos, físicos e ingenieros; aunque mucho se ha descubierto, la naturaleza de las soluciones sigue siendo un gran misterio. Precisamente, se ignora si las soluciones de la ecuación de Euler o de Navier - Stokes tridimensional (en el caso incompresible), partiendo desde condiciones iniciales regulares, mantienen esta propiedad en todo tiempo posterior, o bien desarrollan en tiempo finito una singularidad. La investigación comienza con un repaso de aquellos conceptos esenciales de la mecánica de medios continuos que se consideran indispensables para un futuro estudio de la formación de singularidades en las soluciones de la ecuación de Euler o de Navier - Stokes tridimensional. Dentro de este repaso se otorga particular atención a la ecuación de evolución de la vorticidad, una de las herramientas fundamentales en el tratamiento matemático de los fluidos, ya sean ideales o viscosos. Posteriormente se revisan los resultados clásicos concernientes a la existencia, unicidad y regularidad de soluciones de la ecuación de Euler y Navier - Stokes incompresible (en los casos bidimensional y tridimensional). A partir de estos teoremas surge naturalmente el fenómeno del quiebre, en tiempo finito, de la regularidad de dichas soluciones. Este misterio ha sido parcialmente desvelado por el ya famoso criterio de Beale - Kato - Majda, que establece que si una solución inicialmente suave de la ecuación de Euler o de Navier - Stokes 3D desarrolla una singularidad en el instante $T^{*} > 0$, entonces su campo de vorticidad $\omega(t)$ se acumula tan rápidamente en el tiempo de modo tal que: $$ \lim\limits_{t \nearrow T^{*}} \int\limits_{0}^{t} \Vert \omega(s) \Vert_{L^{\infty}} \,ds = \infty. $$ Luego de elaborar un recuento histórico sobre algunos de los intentos que han sido llevados a cabo con la intención de poner fin a esta polémica (en el caso de la ecuación de Euler 3D), en el capítulo N°6 se describe detalladamente un experimento numérico del año 2014, diseñado por Thomas Hou y Guo Luo con el propósito de hallar potenciales soluciones singulares y axisimétricas de la ecuación de Euler 3D. La principal novedad de este trabajo de memoria está en el estudio del \textit{ansatz} auto - similar propuesto por Hou y Luo para formalizar sus observaciones numéricas: se demuestra analíticamente que dicho \textit{ansatz} no conduce hacia una solución singular de la ecuación de Euler incompresible y tridimensional. El trabajo de memoria concluye con la exposición de algunos resultados que son aplicables únicamente a la ecuación de Navier - Stokes incompresible y tridimensional, tales como la estimación de Caffarelli - Kohn - Nirenberg de la medida de Hausdorff del conjunto de puntos singulares, o bien, diversos teoremas del tipo Liouville en este contexto. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto Fondecyt N° 1150066

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / La minería en Chile presenta muchos desafíos en el área de la ingeniería, y uno de ellos es el comportamiento de relaves y concentrados minerales durante el transporte de los mismos a través de canaletas o tuberías. En el caso de los sistemas de transporte por tuberías, cuando hay detenciones de la impulsión la velocidad media de la fase líquida es nula, produciendo la sedimentación del material sólido, el que genera un lecho en el fondo de los ductos. En particular, este proceso de sedimentación tiene una serie de características distintivas producto de la topografía por donde se instalan las tuberías y por los diferentes tamaños y/o concentraciones de las partículas presentes en la mezcla.\\ El presente trabajo, de carácter experimental, está orientado en esclarecer el efecto del contraste de diámetros y concentraciones de mezclas bi-dipsersas en la formación de lechos. También se ha estudiado el efecto de la pendiente del fondo en las características de sedimentación. El estudio experimental se realizó en el laboratorio de Hidráulica Francisco Javier Domínguez del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Los experimentos se realizaron en un conjunto de cajas de fondo horizontal o inclinado, situadas dentro de un cuarto oscuro. Dentro de estas cajas se realizaba la mezcla de glicerina diluida en agua con partículas de vidrio a distintas concentraciones y diámetros. Mediante una cámara y un sistema de iluminación apropiado, fue posible capturar fotos cada 1 y/o 3 minuto, por varias horas. Producto de las diferentes intensidades de luz en las imágenes se determinaron las alturas de sedimentación con sus respectivos tiempos.\\ Comparando los resultados experimentales de concentraciones finales de cada capa formada en el proceso de sedimentación ($\phi_{sed,ij}$), con los teóricos obtenidos por Stamatakis \& Tier (1988), se determinó que la teoría es válida para rangos de $d_2/d_1<6.44 $ y $\phi_1/\phi_t<0.8 $ (subíndice 1 corresponde a finas y 2 a gruesas). La diferencia entre los resultados experimentales y dicho modelo para $d_2/d_1<6.44 $ y $\phi_1/\phi_t>0.8 $ se explica, mediante argumentos de escala, por la presencia de la difusión hidrodinámica entre las fracciones. Este efecto genera un aumento del 45\% de partículas finas en la capa inferior, en comparación con la obtenida teóricamente. Además para valores de $d_2/d_1>6.44 $ ocurre un fenómeno de percolación que modifica la composición del primer lecho sedimentado, independiente de las concentraciones de partículas. Se determinó que es posible modelar la percolación de finas a través de un medio formado por gruesas, cómo una sedimentación de partículas finas en un medio equivalente. Finalmente mediante un análisis de balance de masa, se logró modelar la variación del lecho de partículas finas, como también el comportamiento de las concentraciones de partículas finas que van percolando

En el presente trabajo se estudia la propagación de frentes químicos sujetos a la inestabilidad de Rayleigh- Taylor. El flujo convectivo es modelado utilizando la ecuación de Navier-Stokes. Los resultados serán comparados con los obtenidos con la ley de Darcy. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se presenta cuando dos uidos de distintas densidades separados por una delgada interfaz plana se vuelve inestable debido al gradiente de densidades que ocurre cuando el fluido más denso esta encima del menos denso y bajo la acción de la gravedad. Se consideran fluidos con las siguientes condiciones: inmiscibles, incompresibles e irrotacionales. Para describir el frente de propagación hemos utilizado la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky(K-S) acoplada con la ecuación de Navier-Stokes para la evolución del ujo de convección. La solución de la ecuación (K-S) ofrece una rica variedad de comportamiento espaciotemporal: frentes planos, frentes simétricos o asimétricos, frentes oscilantes y caóticos. El análisis de estabilidad lineal muestra regiones de bi-estabilidad para diferentes números de Rayleigh. / In the present work, the propagation of chemical fronts subject to Rayleigh-Taylor instability is studied. Convective ow is modeled using the Navier-Stokes equation. The results will be compared with those obtained with Darcy's law. Rayleigh-Taylor instability occurs when two fluids of different densities separated by a thin at interface becomes unstable due to the density gradient that occurs when the densest fluid is above the less dense and under the action of gravity. They are considered uid with the following conditions: immiscible, incompressible and irrotational. To describe the propagation front we used the Kuramoto-Sivashinsky equation (K-S) coupled with the Navier-Stokes equation for the evolution of the convection ow. The solution of the equation (K-S) offers a rich variety of space-time behavior: at fronts, symmetrical or asymmetric fronts, oscillating and chaotic fronts. The linear stability analysis shows regions of bi-stability for different Rayleigh numbers. / Tesis

Surface tension driven convection affects the propagation of chemical reaction fronts in liquids. The changes in surface tension across the front generate this type of convection. The resulting fluid motion increases the speed and changes the shape of fronts as observed in the iodate-arsenous acid reaction. We calculate these effects using a thin front approximation, where the reaction front is modeled by an abrupt discontinuity between reacted and unreacted substances. We analyze the propagation of reaction fronts of small curvature. In this case the front propagation equation becomes the deterministic Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation with the addition of fluid flow. These results are compared to calculations based on a set of reaction-diffusion-convection equations. / Tesis

La presente tesis tuvo como objetivo estudiar frentes de reacción modelados mediante la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky sujetos a diferentes tipos de movimiento de fluido: flujo externo de Poiseuille, el cual es contrastado con el flujo de Couette, y flujo convectivo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. En el primer caso, los frentes se propagan a favor o en contra de un flujo estacionario bidimensional entre dos placas paralelas que se conoce como flujo de Poiseuille. Para pequeñas distancias entre las placas, encontramos frentes estacionarios que pueden ser planos, simétricos o asimétricos, dependiendo de la separación de las placas y de la velocidad promedio del fluido externo. Adicionalmente, descubrimos que los frentes simétricos estables que se propagan en sentido opuesto al flujo simétrico externo se vuelven asimétricos al incrementar la rapidez del flujo externo. En el caso del flujo externo de Couette, el flujo es producido por el movimiento de dos placas paralelas en sentidos opuestos. Hallamos que la estabilidad y la forma de los frentes estacionarios dependen de la velocidad relativa entre las placas y de su separación. Estos parámetros desempeñan un papel importante, puesto que pueden convertir frentes inestables en estables. En el último caso, las inestabilidades en el frente producidas cuando un fluido más denso se encuentra encima de un fluido menos denso se conocen como inestabilidades de Rayleigh-Taylor y son causadas por la diferencia de densidades a través del frente bajo la acción de la gravedad. El frente describe la interfaz delgada que separa los fluidos de diferente densidad dentro de dos placas paralelas verticales; mientras que la convección causada por las fuerzas de flotación a través de la interfaz delgada determina el flujo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Para el estudio de los efectos del flujo externo sobre los frentes de reacción, primero obtuvimos los frentes y luego realizaremos un análisis de estabilidad lineal para determinar la estabilidad de los frentes bajo los tres tipos de movimiento del fluido. La forma de los frentes y sus respectivas regiones de estabilidad fueron contrastadas con los frentes en ausencia de flujo externo. Los resultados de la investigación fueron publicados en tres revistas internacionales arbitradas e indexadas: Physical Review E (2012), Chaos (2014), y European Physics Journal (2014). Adicionalmente, la tesis presenta resultados para frentes oscilantes y sus transiciones al caos debido a la interacción del frente de reacción con los flujos externos antes mencionados. / Tesis

El estudio presentado trata sobre la modelización del flujo en ventiladores axiales analizando la influencia de ciertos parámetros de diseño, en especial del ángulo de calado de los álabes.Para ello se ha realizado un estudio experimental en un ventilador axial. Una primera fase de este estudio ha consistido en la determinación de las curvas características del ventilador, analizando el efecto sobre ellas de la variación del ángulo de calado, de la solidez y de la velocidad de rotación. A partir de los datos proporcionados por esta fase, se seleccionaron una serie de posiciones del ángulo de calado, y para cada unode ellos, ciertos caudales de funcionamiento próximos al punto de máximo rendimiento. Para todos estos caudales se obtuvieron los campos develocidades a la salida del rodete, para lo cual se desarrolló una metodología experimental basada en la anemometría térmica, que incluyó tanto el diseño, la construcción y la calibración de sondas triples de hilo caliente, como el desarrollo de las técnicas de adquisición y tratamiento necesarias.Además de obtener experimentalmente las características del flujo en un ventilador axial, se ha abordado la modelización numérica del mismo. Se hace un repaso de los distintos modelos de flujo y métodos de resolución utilizados habitualmente en turbomáquinas y se ha elegido una formulación cuasi-tridimensional, calculando el flujo, por un lado, en superficies álabe a álabe, y por otro, en una sección meridional, imponiendo la condición de equilibrio radial a la salida de los álabes. Para el cálculo del flujo deálabe a álabe se ha acoplado un modelo no viscoso, resolviendo las ecuaciones de Euler mediante un método "time-marching" y unadiscretización por volúmenes finitos, con el cálculo de la capa límite por un método integral acoplado al cálculo no viscoso mediante el concepto de la velocidad de transpiración.La modelización numérica realizada se adapta de forma satisfactoria a la estructura de flujo obtenida experimentalmente en las zonas medias e inferiores del canal; el comportamiento global del ventilador es modelizado correctamente, aunque las predicciones teóricas son algo superiores a las evidencias experimentales.

Hoy en día las turbomáquinas están presentes en multitud de aplicaciones industriales y sociales, por lo que existe una continua demanda para mejorar sus prestaciones mediante diseños más eficaces. Además, es esencial que los nuevos diseños se encaminen también a reducir las emisiones sonoras de las turbomáquinas ya que tienen un fuerte impacto sobre la sociedad. Así, el ruido, considerado hasta hace poco como un subproducto inherente a las turbomáquinas, tiene que pasar a convertirse en un objetivo esencial e indispensable de las etapas de diseño de los nuevos prototipos. La mayor parte del ruido generado por turbomáquinas es de naturaleza aeroacústica, por lo que sólo mediante un conocimiento exhaustivo de los fenómenos fluildodinámicos que tienen lugar en el interior de las mismas se estará en disposición de detectar los mecanismos básicos de generación de ruido y de realizar las actuaciones pertinentes con vistas a reducir las consecuentes emisiones sonoras. Además, el conocimiento o aguas arriba de un rotor de nueve alábes, para distintas configuraciones de funcionamiento del mismo: dos gaps axiales entre stator y rotor, y tres caudales de funcionamiento diferentes. Los modelos numéricos son validados con resultados experimentales obtenidos a partir de una campaña de ensayos llevada a cabo en el ventilador mediante técnicas de anemometría térmica, transductores piezoeléctrios y micrófonos capacitados. Se dispone entonces de una herramienta que permite conocer y reducir, en la etapa de diseño, los niveles de ruido generados por una turbomáquina.