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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UCHILE/oai:repositorio.uchile.cl:2250/140206 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Letelier Villalón, Juvenal Antonio |
| Contributors | Herrera Ricci, Paulo, Mujica Fernández, Nicolás, Ortega Palma, Jaime, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Escuela de Postgrado, Depassier Terán, María Cristina, Conca Rosende, Carlos, Rica Mery, Sergio, Riaz, Amir |
| Publisher | Universidad de Chile |
| Source Sets | Universidad de Chile |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Tesis |
| Rights | Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 Chile, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/ |
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