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Thesis DESARROLLO DE UN CÓDIGO COMPUTACIONAL DE SIMULACIÓN A GRANDES ESCALAS DE FLUJOS TURBULENTOS EN UN CANAL PLANO(Universidad Técnica Federico Santa María, 2015) Engdahl Yunge, Andrea Jacquelinne; Rosales Huerta, Carlos Eduardo; Universidad Técnica Federico Santa María UTFSM. Departamento de Ingenieria Mecánica. Dirección General de Investigación y Postgrado. Programas de Magíster; Gers, Romain Jean-MichelEn este trabajo se desarrolla un codigo computacional de simulacion a grandes escala (LES) de ujos turbulentos en un canal plano. Con el n de resolver las ecuaciones ltradas que describen la dinamica del ujo turbulento, se discretizan las ecuaciones mediante un metodo de diferencias nitas centradas de orden dos, empleando esquemas conservativos para la integracion del termino convectivo. La integracion temporal se realiza mediante un metodo de pasos fraccionados, en conjunto con un metodo de Runge-Kutta modicado de orden tres para el tratamiento de los terminos explcitos, y el metodo de Crank-Nicholson para los terminos implcitos. Esencialmente, la implementacion considera el desarrollo de dos codigos computacionales. Uno de ellos corresponde a resolver la region mas cercana a la pared, mientras que en el otro, se aplica una funcion de pared con el n de prescribir el esfuerzo. Para su vericacion y testeo, cada uno de los codigos emplean tres modelos de esfuerzo de submalla, que son el modelo de Smagorinsky, el modelo dinamico de Smagorinsky y el modelo con dependencia de escalas. Finalmente, los resultados numericos del primer codigo se presentan con dos numeros de Reynolds, Re = 13800 (Re = 395) y Re = 21870 (Re = 590) que conrma el buen comportamiento de la simulacion al ser comparados con los datos disponibles en la literatura, obtenidos a traves Direct Numerical Simulation. Mientras que el segundo codigo, debido a la implementacion de una funcion de pared, sera analizado desde el punto de vista del estudio propuesto en el documento del modelo con Dependencia de Escala. Palabras Claves: Simulacion a Grandes Escalas, Modelos de Esfuerzo de Submalla, Flujo Turbulento en un Canal, Smagorinsky.Thesis Diseño y simulación numérica de un túnel de viento subsónico compacto para flujos atmosféricos(Universidad Técnica Federico Santa María, 2020-01) Larraín Covarrubias, Diego Cristóbal; Rosales Huerta, Carlos Eduardo; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Mecánica; Flores Madariaga, AlexEn el presente trabajo se detalla el procedimiento seguido para el diseño de un Túnel de Viento subsónico de circuito cerrado con cámaras de prueba Aerodinámica y de Capa Límite Atmosférica para el Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad Técnica Federico Santa María. El diseño final está pensado en una versión prototipo a escala con la nalidad de reducir las pérdidas de carga, separaciones de flujo, costos de inversión y operación, complejidad constructiva y mantener dimensiones apropiadas para el laboratorio. El trabajo abarca desde recomendaciones, ecuaciones semi-empíricas y estándares hasta simulación computacional a través de ANSYS Fluent. El resultado fue un Túnel de Viento con capacidad de generar un flujo perpendicular de 29,1[m=s] en una cámara de pruebas aerodinámica de dimensiones 375x375x750[mm] y un flujo perpendicular de 7,4[m=s] en la cámara de pruebas de capa límite atmosférica en una cámara de pruebas de 750x750x3.430[mm], el cual se puede ajustar a un per l escalado de capa límite atmosférica a través del uso de espiras y elementos de rugosidad. El costo estimado de equipos y materiales es de 2 millones de pesos. Este Túnel de Viento permitirá a docentes y estudiantes de la universidad hacer ensayos de modelos aeronáuticos y estructuras que enfrenten per les atmosféricos.Thesis Influencia de la deflexión para diferentes ángulos de pitch en perfiles alares FishBAC de turbina eólica mediante URANS(Universidad Técnica Federico Santa María, 2024-04) Cisternas Cataldo, Ricardo Andrés; Castillo, Ernesto; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Ingeniería Mecánica; Rosales Huerta, Carlos EduardoEl aumento del consumo energético a nivel mundial, principalmente impulsado por la industria y la población en crecimiento, ha llevado a una dependencia significativa de los combustibles fósiles para la generación de energía, a pesar de sus efectos ambientales y de salud negativos. La creciente conciencia ambiental ha reavivado el interés en las Energías Renovables, como la eólica, solar e hidráulica, que han experimentado un notable crecimiento y competitividad. En Chile, aunque los combustibles fósiles siguen siendo dominantes, las Energías Renovables han ganado terreno gracias a regulaciones y compromisos internacionales, impulsando una transición hacia una matriz energética más sostenible. Dentro de todas las Energías Renovables No Convencionales, este estudio se centra específicamente en energía eólica y la implementación de la tecnología morfoadaptable FishBAC, la que permite una deformación continua de los perfiles alares para mejorar la eficiencia en la captación de energía eólica. El trabajo se diferencia de los anteriores al considerar un estudio bidimensional para comprender las fuerzas sobre el perfil aerodinámico y un estudio tridimensional para comprender el comportamiento de la estela que deja una turbina eólica al utilizar tecnología FishBAC. Se plantea un estudio con condiciones de flujo turbulento y transiente, con el fin de comprender mejor el comportamiento real al que se exponen las turbinas eólicas. El objetivo es contribuir a la optimización de las turbinas eólicas y la planificación de parques eólicos. Los estudios bidimensionales y tridimensionales se realizan mediante simulaciones numéricas en el software de código abierto OpenFOAM, en las que se utilizó el método computacional para turbulencia k − ω SST. Las condiciones de flujo para el caso de estudio corresponden a una velocidad del viento libre de 11.5[m/s], velocidad angular del rotor de 146.18[rad/s], intensidad de turbulencia de 10 %, perfil NACA0012, ángulos de pitch de 0°, 6° y 12° y tres tipos de deflexiones, nula, positiva y negativa. Específicamente para el caso tridimensional, el diámetro del rotor utilizado es de 0.944[m], el cual corresponde a una turbina para pruebas en túnel de viento. El desarrollo del código tridimensional es mucho más complicado que el bidimensional, ya que este último solo considera el estudio sobre un perfil eólico, mientras que el tridimensional considera una geometría de turbina completa o método Fully Resolved Rotor, en donde el principal obstáculo es lograr una buena relación entre las mallas existentes, específicamente entre la malla rotatoria que contiene al rotor de la turbina y la malla estática que corresponde al túnel de viento. Si no existe una buena relación entre estas dos mallas, ocurren errores durante la simulación. Con respecto al código bidimensional, en la validación se encontró que una malla estructurada por bloques de 32.000 celdas fue la óptima para obtener resultados precisos con eficiencia en el tiempo de ejecución, el cual se puede aproximar a dos días. Los resultados de coeficientes de arrastre y sustentación se compararon favorablemente con estudios anteriores. En relación a los resultados del estudio al implementar la tecnología FishBAC en un perfil NACA0012, con respecto a los valores obtenidos con la deflexión nula y considerando todos los ángulos de pitch, la mayor disminución en sustentación ocurre al utilizar una deflexión positiva para un ángulo de pitch de 12°, disminuyéndola un 113 %, mientras que el mayor aumento en sustentación ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentándola un 123 %. La mayor disminución en arrastre ocurre al utilizar la deflexión positiva para un ángulo de pitch de 0°, disminuyéndola un 12 %, mientras que el mayor aumento en arrastre ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 0°, aumentándola un 77 %. Finalmente, la mayor disminución en la relación sustentación-arrastre ocurre al utilizar la deflexión positiva para un ángulo de pitch de 6°, disminuyéndola un 84 %, mientras que el mayor aumento en la relación sustentación-arrastre ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentándola un 121 %. De manera global, la mayor disminución en sustentación ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 12°, disminuyendo un 113 %, mientras que el mayor aumento en sustentación ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentando un 123 %. Por otro lado, la mayor disminución en arrastre ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 0°, disminuyendo un 12 %, mientras que el mayor aumento en arrastre ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 0°, aumentando un 77 %. Finalmente, la mayor disminución en la relación sustentación-arrastre ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 6°, disminuyendo un 84 %, mientras que el mayor aumento en la relación sustentación-arrastre ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentando un 121 %. De manera global, con respecto al coeficiente de sustentación, se observó que la deflexión negativa produjo los mayores valores para todos los ángulos de pitch estudiados, mientras que la deflexión positiva es la que presenta los valores más bajos. En cuanto al coeficiente de arrastre, la deflexión positiva es la que produce menor arrastre para un ángulo de pitch de 0°, mientras que para los ángulos de 6° y 12° la deflexión nula es la que tiene menores valores de arrastre. Los mayores valores de arrastre para los ángulos de pitch de 0° y 6° se obtienen con la deflexión negativa, mientras que para un ángulo de pitch 12° los mayores valores corresponden a la deflexión positiva. También se presenta la relación entre la sustentación y el arrastre, de la que se concluye que para un ángulo de pitch de 0° la deflexión nula es la óptima, mientras que para los ángulos de pitch de 6° y 12° la deflexión negativa es la óptima. Con respecto al código tridimensional, en la validación se encontró que los resultados se asemejaron de buena manera a los resultados expuestos por estudios presentados, teniendo pequeñas diferencias debido a la falta del CAD original, el cual se tuvo que recrear mediante Inventor considerando algunas simplificaciones, y al refinamiento de la malla utilizada, la que cuenta con 789.359 celdas, ya que si se refinaba aún más, los tiempos de simulación serían demasiado largos. Al comparar turbinas con perfiles S826 y NACA0012, se observó que la turbina con perfil NACA0012 genera una estela más ancha y con velocidades más bajas en distancias cercanas, mientras que la turbina con perfil S826 tenía una estela que se extendía más lejos en el mismo período de tiempo. En las simulaciones del caso de estudio con implementación de tecnología FishBAC en una turbina con perfil NACA0012, se observó que el tiempo de ejecución varió significativamente según el ángulo de pitch, siendo de 15 días para 0°, 17 días para 6°, y 34 días para 12°. En cuanto a los resultados, para un ángulo de pitch de 0°, las deflexiones nula y negativa generaron estelas amplias con influencia en el viento alrededor de la estela, mientras que la deflexión positiva produjo una estela más estrecha y alargada, con mayor influencia en zonas distantes. Para un ángulo de pitch de 6°, cada deflexión se comportó de manera distinta. La deflexión negativa creó una estela ancha y corta con valores menores de velocidad en la estela, pero con mayor influencia en el viento alrededor de la estela. Por otro lado, la deflexión positiva generó una estela más estrecha y con menor perturbación del viento exterior, pero con una mayor influencia en las zonas de estela lejana. En el caso de un ángulo de pitch de 12°, la deflexión negativa produjo la estela más ancha y alargada, con la menor perturbación en el viento circundante pero con la mayor perturbación en zonas de estela lejana. Por el contrario, la deflexión positiva generó una estela más corta y angosta, con una influencia limitada en las zonas de estela lejana y una mayor influencia en el viento alrededor de la estela.Item Optimización de la eficiencia energética en sistema de vapor por biomasa en planta de alimento para peces(2025-03) Aguilar Mella, Frank Eladio; Amador Diaz, German Javier; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Mecánica; Rosales Huerta, Carlos EduardoLa investigación tiene como objetivo optimizar la eficiencia energética del sistema de vapor alimentado por biomasa en la línea 1 de la planta Salmofood, especializada en alimentos para peces. Esta línea, con más de 30 años de antigüedad, presenta problemas como pérdidas de calor por aislamiento insuficiente, fugas de vapor y diseños ineficientes en el flujo de aire del secado. Estas deficiencias aumentan el consumo de biomasa y los costos operativos, limitando la competitividad de la planta. Mediante un análisis exhaustivo que incluyó mediciones térmicas y simulaciones computacionales, se identificaron áreas de mayor pérdida energética y se evaluaron posibles mejoras. Entre las estrategias destacaron la implementación de sensores avanzados de humedad, variadores de frecuencia para optimizar el flujo de aire y aislamiento térmico en las tuberías de vapor. Las simulaciones estimaron un ahorro potencial de 83,18 kg/h de biomasa, equivalente a una reducción del 26,5% en el consumo de vapor, valorado en $62.916.891 CLP anuales. Ajustar la humedad relativa del aire de salida al 10% podría también mejorar la uniformidad del secado y la calidad del producto. Además, el aislamiento en las tuberías podría generar un ahorro adicional de $5.443.834 CLP anuales con un retorno de inversión en menos de cuatro meses. Las condiciones atmosféricas también influyen considerablemente, con variaciones de hasta 20% en el consumo de vapor según la estación. Esto subraya la importancia de estrategias adaptativas, como el uso de modelos predictivos basados en algoritmos de machine learning para optimizar el consumo en tiempo real y mejorar la estabilidad del sistema. Finalmente, se destaca la importancia de un enfoque integral de gestión energética. La certificación ISO 50001 podría consolidar estas mejoras, fomentar una cultura de eficiencia energética y reducir las emisiones de carbono asociadas, posicionando a la planta como un referente en sostenibilidad dentro de la industria.Thesis Simulación multiescala del viento sobre terreno complejo mediante el método embebido WRF-LES y asimilación variacional de datos 4D(Universidad Técnica Federico Santa María, 2019-11) Cárdenas Zamorano, Pablo Andrés; Rosales Huerta, Carlos Eduardo; Muñoz Magnino, Ricardo; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Ingeniería Mecánica; Flores Madariaga, AlexCon el fin de lograr una correcta predicción del recurso viento en terreno complejo para zonas muy localizadas, se llevaron a cabo una serie de simulaciones numéricas meteorológicas multiescala con datos reales de alta resolución utilizando el modelo atmosférico WRF y una clausura LES para la turbulencia. El acoplamiento de la meso y microescala se logró a través de la técnica de dominios anidados hasta llegar a una resolución de aproximadamente 2 [m]. Para corregir las desviaciones e incertidumbres propias de una simulación numérica, se propuso utilizar un esquema de asimilación de datos cuatridimensional en el dominio mas interior. La validación de la implementación se basa en 4 casos. Los primeros dos corresponden a una simulación en el sitio de pruebas de turbinas en Høvsøre, Dinamarca, el cual es un terreno cuasi-plano ampliamente estudiado. La primera simulación valida el acercamiento numérico y la segunda muestra la influencia de la asimilación de datos en la capa límite considerando 5 niveles de un mástil meteorológico ubicado en el centro del dominio. Los últimos dos casos corresponden a la aplicación de la misma metodología en terreno complejo para simular la colina de Bolund ubicada también en Dinamarca. Estas dos simulaciones exponen: (i) el comportamiento del modelo para un flujo de viento neutralmente estratificado con burbuja de separación y, (ii) la influencia de la asimilación de datos multipunto utilizando la información de 8 mástiles en 3 niveles cercanos a la superficie. Los resultados obtenidos muestran que es posible obtener predicciones más certeras y que replican el comportamiento turbulento del viento a las escalas simuladas y que, además, la asimilación de datos mejora esta predicción en el caso de terreno plano en un 10 %. En terreno complejo, la asimilación de datos no logra mejorar la solución debido a la cercanía de las mediciones con el suelo y los forzamientos inducidos por el terreno, sin embargo toda la investigación da pie a un uso operativo de la metodología y los códigos propuestos.Item Validación del modelo euleriano de flujo multifásico y el modelo de lee para evaporación-condensación para la simulación de la formación de hielo en intercambiadores de calor de turbo-carcasa(2023-10) Covarrubias Cerda, Sergio Hernán; Rosales Huerta, Carlos Eduardo; Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de Ingeniería Mecánica; Cooper Villagran, ChristopherLos fenómenos de evaporación, condensación, fusión y solidificación son procesos físicos de cambio de fase de una sustancia debidos a una adición o sustracción de energía. Una característica común entre ellos es que, a pesar de que existe un flujo de calor, la sustancia, en un entorno a presión constante no varía su temperatura y viceversa mientras ocurren. En ciertos contextos, como en el de climatización de espacios o la conservación de alimentos, lo antes descrito resulta ser una ventaja, puesto que al no variar la temperatura de la sustancia, el gradiente térmico respecto de otra con la que haya intercambio de calor es mayor. El Flow Ice es una mezcla de agua salada líquida con partículas sólidas de hielo de textura pastosa producida en Chile por la empresa QHielo S.A. mediante intercambiadores de calor de tubo y carcasa con refrigerante R-507 circulando en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. El fluido es utilizado principalmente para la cadena de fróo del salmón producido por compañías como Salmones Austral y Aquachile. El presente trabajo busca modelar el proceso de solidificación dentro de los intercambiadores de calor utilizando los modelos disponibles en el software comercial ANSYS Fluent. Estos modelos están hechos para el estudio de los procesos de evaporación y condensación, y se aprovecharán las similitudes físicas de estos fenómenos con los de fusión y solidificación para estudiar su desempeño en la simulación de estos últimos. Se realizaron dos validaciones con datos disponibles en la literatura y luego se aplicaron los modelos a los intercambiadores de calor productores de Flow Ice para estudiar el impacto de variables como la concentración de sal o el caudal en la fracción volumétrica de hielo sólido del producto final. Se observó que a mayor caudal decrece la cantidad de hielo formado y la salinidad produce una curva decreciente para ciertos rangos y creciente para otros, donde el valor máximo se obtuvo para un caudal de 8.000[lt/hr] y salinidad entre el 2.5% y 3.5% para una tasa de extracción de calor de 15.000[W/m2]. También se concluye que mientras más cercana la temperatura al punto de fusión en la entrada de los intercambiadores de calor, mayor es la fracción volumétrica de hielo sólido obtenida.
