Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / El propósito de este trabajo es aplicar modelamiento computacional fluido-dinámico (CFD) para estimar la eficiencia de depósito de partículas de Cobre en el proceso de Cold Spray con microtoberas. Con ello se busca estudiar la conveniencia del uso de mezclas Helio-Nitrógeno como gas de trabajo. Esto como una alternativa al uso de Helio puro que presenta un mejor desempeño para este tipo de proceso, pero al mismo tiempo, tiene un costo comercial mayor que el Nitrógeno. Este trabajo muestra que por medio de la caracterización de las propiedades termodinámicas de las mezclas Helio-Nitrógeno, es posible utilizar herramientas CFD para calcular la velocidad y temperatura de impacto de las partículas, y con ello estimar la eficiencia y factibilidad del proceso. En total se simulan ocho configuraciones diferentes de microtobera, con largos que varían entre 37 mm y 48 mm y con diámetros de salida que varían entre 2.4 mm y 3 mm. Se determina que el proceso de Cold Spray para partículas de Cobre no es factible para microtoberas de largo menor a 48 mm si se utiliza Nitrógeno puro, siendo la eficiencia máxima obtenible un 39%, lo que está en el límite de factibilidad. Como alternativas para mejorar la eficiencia del proceso aparece el precalentado de las partículas de Cobre y el uso de las mezclas Helio-Nitrógeno. Con respecto a este último punto, a partir del uso de una mezcla con un 28% de Helio (fracción molar), la eficiencia del proceso mejora hasta en un 74%. Mientras que para una mezcla con un 60% Helio, la eficiencia de depósito mejora hasta alcanzar un 90%. Esta investigación es un avance significativo para reducir el costo operacional de las microtoberas de Cold Spray. Además de contribuir con el estudio de nuevas tecnologías de manufactura aditiva con Cobre, el mineral más importante de la industria chilena.

Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / Los aneurismas cerebrales son patologías que consisten en dilataciones localizadas de las arterias cerebrales. En algunos casos son asintomáticos, y en otros, sufren ruptura ocasionando hemorragia subaracnoidea pudiendo provocar la muerte. Los avances tecnológicos han permitido su detección temprana. No obstante, dada la poca comprensión existente respecto a la posibilidad de ruptura, el tratamiento preferido sigue siendo la cirugía, la cual es de gran riesgo para el paciente. Por lo tanto, un mejor entendimiento de los aneurismas cerebrales permitiría tratar sólo aquellos que realmente comprometen la salud de la persona. En la última década se han identificado la morfología y la hemodinámica como factores relevantes en el desarrollo y ruptura de los aneurismas cerebrales. Este trabajo profundiza en la materia por medio de la caracterización morfológica y hemodinámica de 71 aneurismas cerebrales de pacientes específicos. Los análisis son llevados a cabo haciendo uso de imágenes médicas y fluidodinámica computacional. El objetivo es determinar un modelo estadístico que permita evaluar el riesgo de ruptura de un aneurisma cerebral. En la primera parte se estudia el efecto de la reología de la sangre en los esfuerzos de corte en el aneurisma. Los resultados revelan que el modelo newtoniano y el modelo de Casson entregan valores similares. Sin embargo, en las zonas de baja circulación de la sangre, los valores difieren, provocando que la reología newtoniana subestime los esfuerzos de corte. Por lo tanto, se recomienda emplear el modelo de Casson en las caracterizaciones hemodinámicas. Durante la segunda parte se calculan un total de 9 parámetros morfológicos y 6 parámetros hemodinámicos sobre 71 aneurismas cerebrales (36 no rotos, 35 rotos). A través de estadística inferencial y las curvas características del receptor se determinan la razón de tamaño, el esfuerzo de corte de pared diastólico, el esfuerzo de corte de pared sistólico y el tiempo de residencia relativo como los parámetros que mejor discriminan el riesgo de ruptura. De manera interesante, la regresión logística multivariada revela que la combinación de la razón de tamaño y el esfuerzo de corte de pared diastólico son un mejor predictor de la probabilidad de ruptura. De aquí se concluye que un enfoque morfológico-hemodinámico es crucial para mejorar el diagnóstico y tratamiento de los aneurismas cerebrales. / CONICYT Beca de Doctorado Nacional N° 21151448

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / En la presente tesis estudio cómo el proceso de fragmentación afecta la formación de las semillas de agujeros negros supermasivos primordiales utilizando simulaciones cosmológicas hidrodinámicas. Éstos se caracterizan por habitar los centros de los cuásares más brillantes observados en épocas muy tempranas del Universo. Debido a las limitaciones observacionales y a la complejidad de las ecuaciones que gobiernan los fenómenos, las simulaciones computacionales resultan ser la mejor forma de entender como estas estructuras se formaron. En este trabajo se realizaron cincuenta simulaciones de baja resolución compuestas sólo de materia oscura con el fin de identificar los halos más prometedores para la formación de semillas masivas. Tres halos fueron elegidos con el fin de ser re-simulados con mayor resolución. El criterio de selección se basó en la rotación del halo y en la historia de fusión con otro halos. Lo anterior se realizó requiriendo que todos tuvieran una masa > 5 × 10⁷ Msun. Una vez escogidos los halos, se procedió a re-simularlos incluyéndose la física del gas, mayor resolución, y un fondo uniforme de radiación UV. Además se agregó un algoritmo para formar partículas sumidero, las cuales representan las estructuras no resueltas por el código. Los tres halos escogidos se re-simularon imponiendo dos condiciones de fondo UV: una de intensidad baja, J21 = 10, y otra de intensidad alta, J21 = 10000. Se observó que dos de las simulaciones bajo la influencia de un fondo de radiación UV de gran intensidad replicaron muy bien el modelo de colapso directo, en el cual el gas del halo colapsa directamente en un objeto muy masivo (> 10⁵ Msun). Estas simulaciones formaron una única partícula sumidero, la que alcanzó masas mayores a 10⁵ Msun hacia el final de la simulación. En ambos casos la tasa de acreción se mantuvo mayor a 0.1 Msun/yr durante todo el tiempo que se mantuvo corriendo la simulación y no se observó fragmentación en estos casos. Por el contrario, en la re-simulación de un halo formado como resultado de una gran cantidad de fusiones, una estructura espiral se formó en los 5 pársec centrales. Dicha estructura se fragmentó formando varias partículas sumidero. La primera que se formó alcanzó una masa cercana a los 10⁵ Msun, mientras que las demás alcanzaron masas intermedias entre 10³ Msun y 5 ×10⁴ Msun. Las simulaciones con un fondo de radiación UV de baja intensidad revelaron en todos los casos fragmentación y formación de varias partículas sumidero. En estos casos las partículas más masivas alcanzaron masas del orden de 10⁴ Msun, la cual es menor que en el caso anterior, pero sigue siendo relevante para la formación de semillas masivas. Como se formaron varias partículas sumidero en todos estos casos, éstas están más propensas a interactuar entre ellas, pudiendo fusionarse intensificando su tasa de acreción, lo cual efectivamente se observó. Finalmente se concluye que la fragmentación no es un impedimento para la formación de semillas masivas, y que la dinámica de los sistemas es relevante para la formación y evolución de las mismas. / FONDECYT regular 1181663 y Centro de Excelencia en Astrofísica y tecnologías afines(PFB-06) que incluye el uso del Cluster Geryon en el centro de Astro-Ingeniería UC. Powered@NLHP: Esta investigación fue parcialmente apoyada por la infraestructura de supercómputo del NLHPC (ECM-02)

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva. Ingeniero Civil de Minas / 29/03/2021

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / Las necesidades de energía eléctrica en áreas aisladas han requerido diversos mecanismos de solución, entre ellos el uso de generadores eléctricos en base a biodiesel. La gran cantidad de parámetros o elementos interrelacionados dificulta la toma de decisiones o proyecciones a futuro, y por lo tanto, la posibilidad de replicar iniciativas similares con una confiabilidad viable. Por ello, se desarrolló un modelo computacional de simulación dinámica que permite interpretar la realidad en la producción de una planta de biodiesel, además de optimizar la producción de energía eléctrica e incluso la replicabilidad de proyectos similares frente a realidades distintas. Los antecedentes de origen para la generación del modelo fueron obtenidos por el Proyecto FONDEF D10ER2002 ejecutado por la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile en la provincia de Cauquenes, región del Maule. Allí se utilizaron aceites reciclados provenientes de las principales ciudades de la provincia para satisfacer las necesidades energéticas de dos pequeñas comunidades rurales, promoviendo el reciclaje y el cuidado ambiental. Durante enero y abril de 2013 se obtuvieron los antecedentes del aceite recolectado y el biodiesel generado para desarrollar un modelo de simulación dinámica en base al mecanismo desarrollado previamente, que presenta una serie de pasos previos establecidos y validados para la generación de este tipo de modelos.

Ingeniero Civil Mecánico / En esta memoria se estudia el comportamiento fluido-dinámico del relave de cobre en diferentes geometrías de feedwells de espesadores de relave. Una de las principales razones por la cual se realiza este estudio, corresponde a la necesidad del país de recuperar el recurso hidráulico en uno de los tratamientos más utilizados como lo es el espesamiento. El principal objetivo de esta memoria consiste en encontrar la geometría del feedwell que cumple de mejor manera con los criterios de diseños buscados en estos alimentadores, siendo el criterio más buscado la distribución homogénea a la salida del feedwell. Para cumplir con este objetivo, se realiza una recopilación de antecedentes tanto del comportamiento del relave como de estudios realizados a diferentes geometrías del feedwell. Luego se generan las 8 geometrías estudiadas mediante software CAD Autodesk Inventor 2017, para luego importar cada geometría en ANSYS Fluent v17.1 y generar el mallado y condiciones de bordes adecuadas para cada geometría. Posteriormente se realizan las simulaciones en estado estacionario mediante el modelo de turbulencia k-ε estándar y así obtener los resultados para cada simulación. Por último, mediante el software MATLAB R2015a se realiza un análisis numérico de los datos obtenidos mediante la simulación, con el fin de comparar las distintas geometrías en base a los criterios de diseño. Dentro de los resultados más importantes que se logra es generar una metodología en base a un análisis numérico para poder comparar las distintas geometrías estudiadas, el cual nos dice que las mejoras en las geometrías de los feedwells, como lo es añadir una alimentación tangencial, un baffle o un cono de distribución, permiten una distribución más homogénea a la salida del feedwell, siendo estas mejoras compatibles y generando como resultado que el feedwell cerrado con baffle y alimentación tangencial, cumple de mejor manera con los criterios de diseño.

Ingeniero Civil / Cuando un alto-explosivo detona, se genera una reacción ultrasónica que libera calor y hace que los reactivos se transformen súbitamente en gases altamente presurizados. La rápida expansión de los gases resulta en la generación de una onda de choque, la cual se expande a través de un medio como el aire, para posteriormente impactar en las estructuras. El proceso de detonación involucra exclusivamente a los reactantes contenidos en el alto-explosivo, implicando que la energía de combustión liberada por la detonación se ve influenciada solamente por el contenido de oxígeno que está presente en el explosivo. En la medida que el contenido de oxígeno al interior del explosivo es bajo (explosivo deficiente en oxígeno), la combustión no se completa, generándose una postcombustión asociada a la interacción entre los productos aún inflamables de la detonación y el aire circundante. Este segundo proceso de combustión (postcombustión) es mucho más lento que el proceso de detonación y no genera una onda de choque; sin embargo, la postcombustión puede liberar una energía que es comparable a la liberada durante el proceso de detonación. Por lo tanto, la postcombustión presenta el potencial de aumentar significantemente la componente de presión de gas (cuasi-estática), en la medida que la explosión ocurra dentro de un espacio confinado. El objetivo de este trabajo consiste en determinar valores apropiados de la energía específica aportada por la postcombustión, que se debe incorporar en el software comercial AUTODYN, con el fin de obtener predicciones más confiables de la presión cuasi-estática para distintos tipos de altos-explosivos. Para ello, en una primera etapa se lleva a cabo un modelo de equilibrio termodinámico simplificado asociado a reacciones de altos-explosivos en espacios totalmente confinados sujetos a condiciones atmosféricas. 57 explosivos son estudiados, en donde los resultados obtenidos permiten determinar las presiones cuasi-estáticas, concentraciones y temperaturas residuales. Para el caso del TNT, se obtiene un ajuste adecuado en comparación con datos experimentales, donde el modelo termodinámico simplificado genera resultados levemente mayores (25%) a lo observado experimentalmente, lo cual es conservador para el diseño y suficiente, teniendo en cuenta las simplificaciones consideradas en el modelo de equilibrio termodinámico. Como segunda parte del estudio, se determina la energía de postcombustión que se debe emplear en el software AUTODYN para que la presión cuasi-estática se ajuste a los valores determinados por el modelo termodinámico simplificado. Esto se lleva cabo empleando la metodología descrita por Hernández (2016) (aplicado a TNT). Se observa que las presiones cuasi-estáticas obtenidas de las simulaciones incorporando la energía de postcombustión se ajustan al modelo termodinámico simplificado, mostrando diferencias menores a un 0.2%. En adición, se concluye que la práctica actual de considerar una carga de TNT equivalente puede ser bastante inexacta y que el método sugerido en este estudio es más adecuado para la obtención de la componente de presión de gas.

Ingeniero Civil Mecánico / Los equipos de inducción magnética se utilizan ampliamente en la industria, principalmente para tratamientos térmicos y fundiciones, así como también a nivel hogar e médico. Por otra parte, equipos de flujo magnético axial con imanes permanentes han visto un gran desarrollo en equipos eléctricos como motores; sin embargo, poco es lo que se ha incursionado en la utilización de estos equipos como sistemas de inducción magnética, menos aún en su utilización como sistemas de calefacción a nivel hogar. Una de las falencias que presentan los equipos de AFPM es que debido a su tamaño compacto se puede llegar a un sobrecalentamiento del equipo y como consecuencia una pérdida de la vida útil de estos. Esto se debe principalmente a la desmagnetización de los imanes, lo que puede incurrir en perdidas permanentes del campo magnético de estos. Es por esto que un estudio del flujo de aire entre el rotor y el estator del equipo es necesario para reducir la temperatura alcanzada por los imanes. El objetivo principal de esta memoria es realizar un modelo computacional mediante simulación numérica del enfriamiento en los imanes de NdFeB que componen un equipo de calefacción por inducción magnética. Mientras que los objetivos específicos se centran en como afecta la temperatura en los imanes el efecto de rotación del rotor, la separación de la capa de aire y la utilización de un material aislante. Para llevar a cabo los objetivos expuesto, se realizaron una serie de modelos en el programa ANSYS Fluent que abarcaran todas las condiciones anteriormente expuestas, para luego comparar la temperatura alcanzada por el rotor en los distintos modelos, además de estudiar el comportamiento de la velocidad en el fluido a 2mm de la cara del rotor. Luego de realizar la comparación entre los modelos se llegó a la determinación que un equipo con un aislante de 5mm en el estator y funcionado a una velocidad de rotación de 2500RPM para el rotor, se logra una temperatura aceptable en los imanes para evitar la desmagnetización.

Ingeniero Civil / El objetivo general de este trabajo de título es estudiar la variabilidad del consumo máximo diario de oxígeno en el reactor biológico de un sistema de tratamiento de lodos activados para determinar factores de requerimiento de oxígeno máximo horario respecto del medio diario y máximo diario respecto del medio anual, a partir de los datos de seis plantas de tratamiento de origen domiciliario. Para la obtención del factor de carga máxima diaria respecto del medio anual, los datos se ordenan según la carga orgánica afluente para encontrar el día representativo para el diseño de las plantas utilizando como criterio, el día correspondiente al percentil 85. Posteriormente, los datos de caudal se depuran o se modifican según la naturaleza de los antecedentes, ya que existen datos horarios o cada 15 minutos. Adicionalmente se obtiene el factor de caudal máximo horario para cada día dentro del periodo de estudio. Finalmente se realiza una corrección y relleno de los datos para utilizarlos en las simulaciones. Para el cálculo del factor de máximo horario respecto del medio diario, se plantea una fórmula que se puede utilizar en plantas sin sedimentador primario. Para validar los resultados entregados por esta fórmula, se realizan simulaciones en BIOWIN, y se comparan los resultados mediante un análisis de sensibilidad respecto de la temperatura y de la tasa máxima de crecimiento de los organismos autótrofos. Los escenarios planteados corresponden a cuatro edades del lodo (5 (d), 15 (d), 20 (d), 25 (d)), cuatro temperaturas, (5°C, 15°C, 20°C y 25°C), y de tres tasas máximas de crecimiento (0,3, 0,6 y 0,9). Se concluye respecto del factor de carga máxima diaria respecto del medio anual, que su relación con la población y el caudal medio de las plantas de tratamiento es inversamente proporcional similar a un comportamiento logarítmico. En cuanto al factor de consumo máximo horario respecto al medio diario, se concluye que en ningún caso este valor supera el 1,35 y en consecuencia obrando de manera conservadora, es posible aplicar este valor como uno general. El resultado del análisis de sensibilidad el error no superaba el 10%, salvo las condiciones en que es probable que no se produzca nitrificación.

Ingeniero Civil Mecánico / El Acinonyx jubatus (Chita) es reconocido como el animal más rápido en tierra, quién además logra reajustar su trayectoria rápidamente al momento de perseguir su presa a altas velocidades, donde cada cambio de dirección viene asociado con un rápido movimiento de cola, sin tener claridad si la cola aporta al equilibrio del movimiento como apéndice inercial. Hasta ahora se ha estudiado el aporte de la cola modelando el cuerpo del Chita como un cubo y el movimiento a lo largo de una curva, sin preocuparse del movimiento realizado por el cuerpo del animal y que este principalmente zigzaguea al perseguir a su presa. En el presente trabajo se propone que el Chita, dado que realiza maniobras de persecución a altas velocidades que involucran movimientos rápidos del cuerpo, entonces la cola debe otorgar eficiencias mecánicas al giro del cuerpo realizando torques en el sentido contrario, ya que al momento de maniobrar las patas delanteras y traseras presentan un cambio rotacional independiente sobre el eje axial (roll) el que estaría facilitado por el movimiento de la cola. El objetivo principal corresponde a determinar el aporte cuantitativo y cualitativo del movimiento de la cola sobre sobre las capacidades locomotoras de Acinonyx jubatus (Chita). Como objetivos específicos se encuentran confeccionar un modelo cinético y cinemático del Chita para establecer la relación entre el movimiento relativo de la cola respecto al movimiento del tren delantero y trasero del Chita y determinar la importancia del movimiento de la cola sobre el movimiento del animal. La metodología consta del desarrollo del modelo del Chita como un cuerpo rígido de tres piezas, representando el tren delantero, trasero y la cola, donde se estudia la cola como elemento que conserva el momentum angular. Definiendo una trayectoria para el tren delantero, se analiza el modelo en distintos casos: primero un modelo que no presenta cola, en donde el tren trasero compensa el movimiento del tren delantero; segundo, un modelo donde el tren trasero se mantiene estático y es la cola quien compensa la rotación del tren delantero; y el tercer caso, el cual tiene los tres cuerpos, tren delantero, tren trasero y cola, junto con un acople en forma de resorte y amortiguador torsional entre el tren delantero y trasero. Se resuelve el tercer caso mediante integración numérica iterando el valor del resorte y amortiguador hasta que la solución sea semejante a la observada en la referencia; a partir de propiedades mecánicas de los músculos y tendones del chita, mediante la teoría de mecánica de sólidos, se aproxima la resistencia elástica del cuerpo del animal que es comparado con el valor del resorte obtenido mediante iteración. Como resultado de nuestro análisis se identifica el aporte cualitativo de la cola como un elemento que ayuda a la maniobrabilidad del animal al conservar el momentum angular del cuerpo, además, se obtiene el resultado cuantitativo del aporte de la cola que depende directamente de las variables del acople entre el tren delantero y tren trasero. El movimiento de la cola puede amortiguar completamente el movimiento del tren delantero, pero si el chita no tiene cola, la compensación al movimiento del tren delantero se realiza ejerciendo mayor esfuerzo sobre el tren trasero. Finalmente el análisis de las propiedades mecánicas del cuerpo del chita resulta similar a las propiedades cinemáticas de la iteración, con una diferencia menor al 15%.