Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / El presente trabajo es un estudio de modelación y simulación 2D del proceso de combustión filtracional rica de fuelóleo pesado (HFO). Se desarrollan dos enfoques de modelación fenomenológica, denominados Modelo I y Modelo C-I, que utilizan decalina como compuesto modelo. El primero aborda el proceso en reactor de medio poroso inerte (MPI), y sus resultados se comparan con datos experimentales de HFO obtenidos en condiciones levemente ricas. Estos últimos muestran que la producción de syngas se acompaña con la formación de un residuo carbonoso sobre el lecho empacado, generando una menor eficiencia del proceso. Para mejorar la transformación de HFO a syngas, el Modelo C-I plantea una configuración de dos zonas reactivas en serie. La primera realiza un craqueo catalítico-térmico de la premezcla rica aire-combustible vaporizado, y la segunda, el reformado de oxidación parcial de los productos del craqueo y el exceso de combustible. En cuanto a los resultados del Modelo I, estos muestran una representación razonable de las tendencias empíricas del procesamiento con HFO. También, se observa mediante simulación, la presencia de un máximo axial en la concentración de H2, y los efectos positivos sobre su producción, con el aumento de la razón de equivalencia y la velocidad de filtración, y la reducción en las pérdidas de calor. Además, el sistema de combustión filtracional rica de decalina presenta un óptimo en la eficiencia de conversión de energía a syngas y los rendimientos de H2 y CO, que se alcanza cuando la razón de flujos másicos de productos (H2, CO) en los gases de escape es máxima. Por otro lado, los análisis de simulación con el Modelo C-I, en condiciones levemente ricas y a velocidad de filtración constante, llevan a determinar que existe una longitud óptima de la zona intermedia del reactor, para la cual la producción de hidrógeno es máxima, debido a un compromiso cinético entre los mecanismos de reacción homogéneo y heterogéneo. En esta condición, se obtiene que la conversión energética total sea predominante con el aumento de la razón de equivalencia, debido a la presencia de especies hidrocarbonadas generadas por el proceso de craqueo de decalina sobre zeolitas. Y además, se mejora la producción de syngas respecto a un reactor de MPI en condiciones similares de operación, cuando los depósitos de material carbonoso en este último, superan un 7.4%. Esta evidencia teórica, recientemente publicada, apoya la hipótesis que la configuración de reactor de medio poroso catalítico inerte en serie, puede representar una mejor alternativa para el aprovechamiento de fuelóleo pesado en su transformación a gas de síntesis durante combustión filtracional rica, respecto a un reactor de lecho poroso inerte, en rangos específicos. / Esta tesis forma parte del Proyecto FONDECYT N° 1121188

El abatimiento y control de las aguas subterráneas son actividades implementadas y monitoreadas de forma continua a lo largo de la vida de proyectos de minería, ya sea del tipo a cielo abierto o subterránea. Una implementación apropiada y eficiente de estas actividades dependen de los estudios hidrogeológicos de grande porte, que permiten evaluar los sistemas de control de agua más adecuados, necesarios en las actividades mineras. La búsqueda de la eficiencia técnica-económica de estos procesos demandan análisis numéricos de flujo tridimensionales de toda la región en estudio, caracterizada por profundas y complejos estratos de materiales permeables abajo del nivel freático, como normalmente abarcan proyectos de minería, donde las soluciones analíticas ya no pueden ser más aplicadas. Esta tesis busca contribuir a una mejor comprensión de soluciones numéricas que representan el comportamiento de flujo subterráneo a través de un estudio de caso de una mina subterránea que presenta problemas de infiltración en su interior. En este estudio fueron incorporados elementos discretos 1D como representación de caminos cársticos preferenciales, en um modelo 3D de elementos finitos realizado con el programa FEFLOW. Fueron discutidas las ventajas de incorporar tales caminos preferenciales de forma explícita, cuantificando el flujo que pasa por medio de éstas, ya que estas estructuras alimentan a la mina a través de conexiones directas con un río adyacente. Estos elementos discretos permiten representar de forma más realista el medio hidrogeológico y al mismo tiempo evaluar de mejor forma los efectos en el comportamiento de flujo subterráneo debido a la impermeabilización superficial del río como una solución más coherente para este tipo de problemas de infiltración.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / En los últimos años, han habido varios avances en las técnicas computacionales que han permitido investigar diferentes procesos físicos en medios permeables a la escala de poros, a través de simulaciones numéricas. En general estas simulaciones consideran medios porosos sintéticos formados por granos regulares y dispuestos en diferentes configuraciones geométricas. A partir de las distintas configuraciones y a través de modelos computacionales, es posible imitar los patrones de flujo que existen en medios permeables reales y simular procesos de transporte que ocurren a la escala de poros. A pesar de avances recientes en este tipo de estudios, existen pocos resultados que permitan determinar la influencia de la estructura del medio poroso sobre los procesos de flujo y transporte. El objetivo principal de esta investigación es estudiar la influencia de las configuraciones geométricas en los campos de velocidad simulados y en las propiedades macroscópicas de transporte de calor para medios porosos saturados bidimensionales (2D). Por esto se generaron medios permeables sintéticos en 2D, a partir de granos sólidos circulares ubicados de manera ordenada y aleatoria. Para generar los campos de velocidades a partir de simulaciones numéricas se utilizó OpenFOAM. Usando este software es posible simular simultáneamente diversos procesos físicos, por ejemplo, el flujo y ecuaciones de transporte en geometrías complejas. Para cada configuración geométrica se simuló el campo de flujo y se calculó propiedades efectivas, tales como la tortuosidad, velocidad media y conductividad hidráulica. El análisis de los resultados de las simulaciones muestra que, en todas las configuraciones simuladas, las propiedades de flujo efectivas se hacen válidas a partir de un volumen que contiene entre 30 a 100 granos. Para una misma porosidad y condiciones de borde, la tortuosidad en la geometría aleatoria es mayor que en las configuraciones ordenadas, mientras que la conductividad hidráulica es menor en una de las geometrías simétricas. Para el transporte de calor se calculó el coeficiente de dispersión térmica longitudinal en cada geometría, ajustando las curvas de temperatura vs tiempo (``breakthrough'') simuladas a la solución analítica propuesta por \cite{levec1985b}. En todos los casos analizados se logró un buen ajuste entre los datos simulados y la solución analítica, indicando que a la escala simulada, que consideró hasta 300 granos aproximadamente, el comportamiento a la escala continua puede ser representado por propiedades efectivas, calculadas a partir de simulaciones a la escala de poros. En los casos simulados la dispersión térmica longitudinal es mayor en las estructuras simétricas con menor tortuosidad. Los resultados obtenidos para el transporte de calor y propiedades del flujo indican que el ordenamiento espacial de los poros tiene influencia en los parámetros efectivos que se utilizan para describir medios permeables como medios continuos, por lo tanto la generalización de los resultados obtenidos a partir de las distintas geometrías de granos puede ser difícil o imposible.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / En este trabajo se presenta el problema del transporte de calor y masa para un sistema compuesto de dos fases fluidas en un medio poroso, el cual puede ser relevante en el uso de CO2 como fluido de trabajo en reservorios geotermales. El medio poroso fue modelado usando una celda Hele-Shaw, la cual es ampliamente usada para la visualización del transporte de escalares. Los objetivos de este trabajo son (a) investigar teórica y numéricamente las leyes de escalamiento que gobiernan los procesos de mezcla en un medio poroso, y (b) visualizar los procesos de transporte usando celdas Hele-Shaw y avanzadas técnicas de segmentación de imágenes. El modelo derivado es una extensión de la ecuación de Polubarinova-Kochina, la cual es válida para regímenes de flujos altos en medios porosos. El transporte de calor y masa en un medio poroso es gobernado por el número de Nusselt Nu' y la tasa de disipación media escalar h"'i_ = `mix/L , donde `mix es la longitud de mezcla y L es la longitud horizontal de la celda . La principal contribución de este trabajo es la demostración de la existencia de los escalamientos hNu'i_ _ Ran(_) ' y h"'i_ _ Ram(_) ' , respectivamente, donde Ra' es el número de Rayleigh sujeto a la definición del escalar ' , el cual puede ser temperatura o concentración, y _ es el cociente entre el espaciamiento de la celda y su altura. Ambas cantidades se relacionan a través del modelo hNu'i_ = _(_2Ra', _)Ra' h"'i_ , donde _ contiene información de los efectos de difusión lateral de mezcla. Esta contribución extiende los resultados más recientes publicados en la literatura. Dada la importancia del parámetro adimensional _ en la escala de laboratorio, se realizó un detallado análisis lineal de la convección termal y la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, incorporando efectos de tensión interfacial ya que el CO2 es un fluido parcialmente miscible con el agua. Los resultados obtenidos usando métodos asintóticos corrigen los análisis descritos en la literatura, así como también entregan nuevas evidencias de que el inicio de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor depende completamente de los efectos interfaciales de la mezcla. Finalmente, para visualizar el transporte escalar, se realizaron experimentos de convección termal y mezcla por contraste de densidad. Se usaron técnicas de atenuación de luz y Schlieren sintético, además de métodos de segmentación de imágenes basados en principios variacionales, los cuales permitieron obtener interesantes resultados visuales del proceso de transporte. Se demostró que la aplicación del método optical flow permite reconstruir el mapa de temperaturas en celdas Hele-Shaw con una mejor resolución de imagen que el algoritmo PIV digital, obteniendo resultados acordes a lo esperando en sistemas geotermales sedimentarios. Además, se muestra experimentalmente que el uso de segmentación multifase es ideal para calcular propiedades físicas del proceso de mezcla, además de cantidades relacionadas con el transporte escalar, sin conocer a priori los valores de cantidades físicas tales como la densidad y velocidad de flujo