Ingeniera Civil Mecánica / En esta memoria se estudia el comportamiento del relave de cobre chileno con diferentes concentraciones, específicamente con concentraciones en peso de 35% 45%, 50% y 55%. Es importante realizar este estudio debido a la necesidad del país de recuperar las aguas de tratamiento de los relaves, por la escasez de agua en el norte de Chile, aumentando la concentración de la pulpa. El principal objetivo de esta memoria es modelar el relave asumiendo un comportamiento como fluido no- newtoniano, estudiando la reología de éste y ver los efectos que tiene en cajones de transición Para esto se realizarán simulaciones en el software ANSYS Fluent 14.5, donde primero se hace una recopilación de los antecedentes más importantes para poder caracterizar el relave y el fluir de este en canaletas y cajones, tanto para fluidos newtonianos, como no-newtonianos. También se estudia la reología del relave para las diferentes concentraciones, utilizando correlaciones obtenidas de antecedentes. Luego se crea un diseño hidráulico del cajón de transición para luego generar un mallado, y a través de condiciones de borde adecuadas, lograr simular el fluir del relave con las concentraciones antes mencionadas. El análisis es transiente de 30 seg. de simulación. Se realizan dos simulaciones del relave con concentración en peso 35% una con un modelo de flujo turbulento k-e y otro con un modelo viscoso laminar. Luego se procede a realizar las simulaciones del relave de alta concentración en peso como plástico de Bingham. Dentro de los resultados más importantes se logra validar los resultados obtenidos, comparando las velocidades numéricas con las teóricas. Además, haciendo una comparación entre el modelo laminar y turbulento, se justifica el uso del modelo viscoso laminar para la simulación del fluir del relave. Por último, dado los resultados obtenidos de sedimentación y desgaste del cajón, se puede seleccionar la geometría diseñada como la adecuada, dadas las condiciones de operación planteadas en la memoria.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Los ensayos realizados en un reómetro rotacional tienen como límite superior de medición la velocidad angular crítica para asegurar un flujo axisimétrico. Para velocidades mayores a ésta, el flujo deja de ser concéntrico y comienza la transición hacia un flujo helicoidal. Este fenómeno fue estudiado para fluidos newtonianos en 1923 por Geoffrey I. Taylor, quien pudo determinar analíticamente la velocidad crítica de estabilidad para el flujo rotacional. Los supuestos realizados en este estudio no permiten extender sus resultados a fluidos no newtonianos, en partículas fluidos con partículas. Las mezclas con partículas tienen ciertas características que los diferencian de los fluidos newtonianos homogéneos; como interacciones entre las fases sólidas y liquidas, migración de partículas, sus efectos sobre los perfiles de velocidad y viscosidad. En el presente trabajo, se estudió el comienzo de inestabilidades de Taylor-Couette para una mezcla no coloidal, con concentración hasta 50\% y relaciones de radio interior y exterior r_i/r_e entre 0.71 y 0.88. Se desarrolló una instalación experimental de Taylor-Couette, con rotación del cilindro interior, capaz de controlar la velocidad de giro y medir el torque en el cilindro interior, identificando de esta manera la velocidad crítica de transición. Este estudio es complementado con un análisis de estabilidad lineal que considera las particularidades de este tipo de mezclas. Finalmente, se compararon los resultados de ambas etapas del estudio con el caso base de un fluido newtoniano homogéneo, determinando así el efecto de las partículas sobre la estabilidad de flujo.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil, Mención Hidráulica Sanitaria Ambiental / El transporte hidráulico de sólidos a través de sistemas de tuberías es ampliamente utilizado en distintos procesos de la industria química, minera y alimenticia, entre otros. Para su correcto diseño, el cálculo de la velocidad de depósito y las pérdidas de carga, es fundamental para asegurar el transporte total de las partículas presentes en la mezcla sólidos- líquido. En la literatura, se encuentran varios estudios en esta materia cuando el uido utilizado como medio de transporte de los sólidos es newtoniano. Sin embargo, dependiendo de la concentración de sólidos y de la presencia de nos, el uido newtoniano junto a los nos se puede modelar como una mezcla no newtoniana que interactúa con las fracciones más gruesas de sólidos. Este tipo de mezclas con carácterísticas no newtonianas se utiliza extensivamente en la industria minera nacional para el transporte de pulpas y relaves. No obstante, en la literatura existen escasos estudios que se re eran al cálculo de la velocidad de depósito y pérdidas de carga en mezclas sólidos líquido no newtonianas. Con el n de calcular escalas físicas, se construyó una instalación experimental que consiste en un sistema cerrado de tuberías por el cual escurre una mezcla bifásica, en que la fase líquida es un uido no newtoniano de ley de potencia y la fase sólida son microesferas de vidrio. Experimentalmente se encuentró que la velocidad de depósito para partículas de 120, 300 y 600 micrones, a concentraciones en volumen de sólidos entre 17% y 32 %, ocurre en régimen laminar. Adisionalmente, se observó que las partículas de 300 y 600 micrones nunca lograron formar un lecho estático en la tubería, incluso a números de Reynolds inferiores a 100. Además, mediante imágenes tomográ cas de concentración, se observó un proceso migratorio importante de las partículas desde el interior hacia los bordes de la tubería. A partir de los datos experimentales, se propone un modelo para el cálculo de la velocidad de depósito y del factor de fricción de la mezcla sólidos líquido no newtoniana. El modelo propuesto para las pérdidas de carga tiene un error cuadrático medio de 11.2% respecto a los resultados experimentales. El modelo propuesto para la velocidad de depósito muestra un buen ajuste con los resultados experimentales y muestra una buena correlación con los resultados de Shah and Lord (1991) con una diferencia porcentual entre un 10% y 20 %. Respecto al fenómeno de migratorio de partículas, este fue analizado cualitativamente mediante un modelo difusivo basado en la frecuencia de colisiones. Finalmente, los resultados de esta investigación son un aporte importante en el desarrollo y comprensión de los fenómenos que rigen el transporte de mezclas sólidos líquido no newtonianas.

Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Banca: Cláudio Kitano / Banca: Cheng Liang Yee / Resumo: As corridas de lama e os deslizamentos de terra, corriqueiros nas épocas de chuvas, vêm sendo observados e despertando atenção na mídia e órgãos públicos em função do número crescente de vítimas registrado. Trata-se de eventos naturais que atingem, cada vez mais, núcleos soci- ais vulneráveis. Esta dissertação de mestrado faz uma abordagem mecanicista destes eventos, modelados matematicamente como escoamentos em canais inclinados. Quando colocados em condições favoráveis de inclinação e vazão, este tipo de escoamento pode constituir um domínio propício à propagação de instabilidades na sua superfície livre que, eventualmente, podem vir a se tornar um tipo específico de ondas denominado na literatura de roll waves. Estas ondas, de comprimento de onda e amplitude bem definidos, são especialmente afetadas pelas caracte- rísticas do escoamento e do fluido. As lamas (soluções hiperconcentradas de matriz argilosa) constituídas quando daqueles eventos naturais são caracterizadas como fluidos fortemente não- newtonianos do tipo Herschel-Bulkley (COUSSOT; PIAU, 1994; SANTOS, 2003). Em termos de fluidos-tipo (aqueles usados em laboratório), duas vertentes são tratadas: a proposta do uso do carbopol como fluido representativo das lamas (fluido não-newtoniano); e a proposta da glice- rina (fluido newtoniano). Um modelo matemático representativo do fenômeno é apresentado, proposto por Ferreira (2007). Nele o respectivo modelo reológico é inserido na parte viscosa das equações de Cauchy e, após adimensionalização das variáveis e promediação das equações, culmina com uma equação diferencial de primeira ordem que é resolvida numericamente. Os parâmetros que envolvem o equacionamento são discutidos em função da sensibilidade das características das roll waves. Uma segunda abordagem traz a... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Mudflows and landslides, common in the rainy season, have been noticed and attracted media and public departments attention due to the increasing amount of victims recorded. This disser- tation provides a mechanistic approach of those events, mathematically modeled as flows in in- clined open channels. When disposed in favorable conditions of slope and flow, this type of flow can become a suitable domain to the propagation of instabilities on its free surface that even- tually may turn out to be a specific type of waves called by the literature as roll waves. These waves, well-defined in wavelength and amplitude, are particularly affected by the characteris- tics of flow and fluid. The muddy materials (hyper-concentrated solutions of clay) which take place on those natural events are characterized as highly non-Newtonian fluids like Herschel- Bulkley (COUSSOT; PIAU, 1994; SANTOS, 2003). Concerning the test-fluids (those employed on laboratory), two lines are explored: the utilization of carbopol as representative fluid for muds (non-Newtonian fluid); and the employment of glycerin (Newtonian fluid). A mathematical model representing the phenomenon is presented, proposed by Ferreira (2007). The proper rhe- ological model is inserted into the viscous part of Cauchy's equations and, after transferring to dimensionless variables and averaging the equations, the model culminates with a first-order differential equation which is solved numerically. The parameters involving the equation are discussed due to the sensitivity of the characteristics of roll waves to them. A second approach brings the direct numerical simulation through FLUENT software as an attempt to validate the models. Based on the great lack of information concerning realistic measurements of this phe- nomenon in the literature, it was sought, in this work... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2012

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T03:41:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 295064.pdf: 10137711 bytes, checksum: 5967e1d7227828ea1337e5d0d869ad82 (MD5) / Em processos que envolvem o escoamento de fluidos muitas vezes é exigido o uso de bombas. Para o projeto dessas bombas é necessário conhecer a perda de carga gerada pelo atrito do fluido ao longo do sistema de tubulação. Um sistema de tubulação geralmente é formado por seções retas, acessórios e válvulas, os quais também apresentam resistência ao escoamento. Essa perda de carga ocasionada é determinada através do fator de atrito e dos coeficientes de perda localizada, respectivamente. A queda de pressão em dutos é função das propriedades reológicas do fluido. Portanto, o comportamento reológico do fluido influencia no cálculo da potência e na escolha do tipo da bomba a se utilizar. Os dados experimentais de queda de pressão em escoamentos de fluidos não newtonianos são exíguos em relação aos fluidos newtonianos. Por conseguinte, existe divergência nos critérios para o uso das correlações de fator de atrito e coeficientes de perda localizada. O objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão das correlações de fator de atrito e coeficientes de perda localizada para fluidos que seguem o modelo da lei da potência, além de determinar as faixas de operação segundo número de Reynolds generalizado e o índice de comportamento do escoamento. Para avaliar a variabilidade das correlações do fator de atrito, realizou-se uma análise estatística para escoamento turbulento segundo a metodologia proposta por Gao e Zhang. A equação implícita proposta por Dodge e Metzner, é baseada em uma análise teórica e resulta nos menores desvios relativos totais, em todas as análises desenvolvidas. Realizou-se também, um estudo de caso com o intuito de calcular o trabalho de eixo de uma bomba sob diferentes configurações de um sistema de bombeamento. Nesse contexto, foram considerados diferentes comprimentos de tubulação e quantidade de acessórios. Dessa forma, visa-se comparar o uso do método de Hooper frente ao dos coeficientes de perda localizada específicos. Concluiu-se que o método de Hooper é adequado para o cálculo das perdas localizadas no escoamento de fluidos que seguem o modelo lei da potência. A maior vantagem desse método é a sua forma generalizada e sua aplicação para diferentes diâmetros e número de Reynolds generalizado.

O monitoramento das constantes ópticas, índice de refração e espessura óptica, durante a confecção de filmes finos, é essencial para desenvolvimento de suas aplicações em diversas áreas. No monitoramento da variação de espessura, métodos capacitivos são tradicionalmente usados, com acurácia de + 2μm, durante o processo de recobrimento por imersão (dip coating). Neste mesmo processo, nosso objetivo é estender o método de monitoração óptica, anteriormente consolidado com fluidos Newtonianos, para uma classe de não-Newtonianos - com vastas aplicações comerciais e industriais - que seguem lei de potência. Através desta, testamos a validade do modelo teórico correspondente e do método de monitoração óptica para esta classe. Utilizamos Carbopol e CMC (Carboxi Metil Celulose), substâncias que conhecidamente seguem lei de potências. Quanto aos parâmetros de processo, utilizamos diferentes concentrações em água e diferentes velocidades de retirada, e comparamos os resultados experimentais com as simulações do modelo teórico. Exceto no período transiente inicial, os fluidos não-Newtonianos utilizados, em todo o intervalo de concentrações e velocidades permitido pelas condições experimentais, comportaram-se de acordo com a lei de potência. Deste modo, estas substâncias podem ser caracterizadas por duas constantes da lei: “s”, a potência, e “k”, a constante reológica relacionada com a viscosidade. Quanto às diferentes concentrações, à velocidade constante, o escoamento apresentou duas regiões temporais distintas na variação de espessura. Uma inicial, predominam os maiores valores de “s”, típicos de concentrações menores. Na segunda região, como o termo temporal da equação decai com o inverso do tempo, predomina o fator multiplicativo que contém “k”. Para diferentes velocidades, à concentração fixa, os resultados não apresentaram variação significativa em suas constantes reológicas. As diferentes curvas, correspondentes às duas substâncias, devem-se a potências “s” diferentes. Com acurácia duas a três ordens de grandeza melhor que pelo método capacitivo (+ 0,007μm) e com centenas de amostragens por minuto - que atestam a reprodutibilidade do arranjo experimental computadorizado - a concordância obtida entre teoria e experimento demonstra a validade do modelo não-Newtoniano de lei do potência, assim como adequação do método de monitoração óptica para esta classe de fluidos. . Futuramente, o método poderá ser também estendido para fluidos da mesma classe que possuam índice de refração temporalmente variável e para outras classes de fluidos não- Newtonianos, assim como para filmes produzidos por processo de “spin coating” ou por deposição física a vapor (PDV) em vácuo.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico. Inclui apendice / Made available in DSpace on 2016-01-08T14:05:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 91282.pdf: 1657178 bytes, checksum: e4ec8e9c977b1cbf333f86586e46bbf1 (MD5) Previous issue date: 1981 / As grandezas do escoamento laminar incompressível, não-newtoniano, dentro da camada limite são obtidas através da utilização de duas equações fundamentais: conservação da massa e conservação do movimento. Foi analizado o problema da placa plana e o de uma fonte de escoamento plana. Para o caso de superfícies curvas dá-se um tratamento geral e particulariza-se o problema para o do cilindro circular reto. Para o último caso são impostas as condições de sucção e deslize na interface do escoamento. É utilizado como fluido não-newtoniano, aquele que pode ser descrito pelo modelo da lei de potência; e foram determinadas grandezas importantes da camada limite para diversos índices de comportamento do escoamento, podendo ter-se uma idéia aproximada de como o escoamento é influenciado nela natureza reológica do fluído. Com as simplificações próprias da camada limite e substituindo-se a equação do modelo, obteve-se um sistema de duas equações diferenciais parciais, vinculadas a um sistema de coordenadas, adequado para cada problema em estudo. A equação do movimento torna-se altamente não linear, o que dificulta uma solução analítica; sendo assim, contorna-se o problema linearizando-se o modelo numérico associado. O método de diferença finita utilizado e um metodo implicito, obtendo-se uma matriz de característica tridiagonal o que vem a facilitar a solução numérica.

El objetivo general del presente trabajo es encontrar una relación experimental que defina la condición límite en que las partículas pertenecientes a un lecho, por sobre el cual se tiene un flujo de un fluido no newtoniano, comiencen a moverse por efecto de este flujo. La condición límite se definirá en términos de un esfuerzo de corte crítico necesario para iniciar el movimiento. Si bien hay un gran número de estudios que analizan esta condición límite para fluidos newtonianos, el estudio del transporte incipiente debido a la acción de flujos de fluidos no newtonianos es limitado, y relaciones de cálculo parecen ser más bien la excepción, pudiendo mencionarse los trabajos de Daido (1971) y Wan (1982). En la naturaleza y en muchos procesos industriales el problema estudiado en esta memoria surge al tener mezclas de agua con partículas sólidas en un amplio rango de tamaños, de forma que el agua con las partículas más finas forman un medio que se comporta como un fluido no newtoniano, capaces de transportar a las partículas más grandes. Para realizar este trabajo se requiere confeccionar fluidos de comportamiento no newtoniano que permitan la visualización a través de él. Para esto se utilizaron soluciones de carboximetilcelulosa en agua y de carbopol en agua, las cuales le otorgan un comportamiento pseudoplástico y plástico al fluido, respectivamente. En cuanto a las partículas que conforman el lecho, se requieren lechos de granulometría uniforme, para lo cual se utilizaron arenas de tres distintos diámetros representativos. Para determinar la condición de arrastre incipiente se realizaron mediciones en régimen permanente para distintas condiciones definidas por un fluido de una misma reología y un tipo de sedimentos no cohesivos. Estas mediciones consisten en realizar experimentos con al menos cuatro condiciones diferentes de flujo para cada una de las cuales se realizan mediciones cuando no hay arrastre de partículas, cuando el arrastre es incipiente y cuando es generalizado. La idea es cubrir un gran rango del número de Reynolds de la partícula, el cual es definido en función de los parámetros de la ley de potencia para fluidos pseudoplásticos y de los parámetros del modelo de Herschel-Bulkley para fluidos con esfuerzo de fluencia. Los experimentos realizados cubren los regímenes de flujo subcrítico y supercrítico, además de escurrimientos tanto uniformes como gradualmente variados. Debido a la variación de la altura de escurrimiento en la dirección del flujo, se dedujeron expresiones para corregir el esfuerzo de corte sobre el fondo. Como resultado se obtuvo que definiendo un número de Reynolds generalizado de la partícula, Re_P , que incorpore los distintos parámetros que determinan una reología en particular y restando al esfuerzo de corte crítico el esfuerzo de fluencia, es posible generalizar el diagrama de Shields et al. (1936), encontrándose que para Re_P ≥ 1 es válida la relación original, ajustada por Rouse (1939) a los datos de Shields. En tanto, para Re_P ≤ 1, la curva propuesta por Mantz se ajusta de mejor manera a los datos experimentales que la proyección del ajuste de Rouse.