Magister en Ciencias de Ingeniería Mecánica

In the last decade, a large number of nanosatellites have been placed into Earth’s lower orbits, with the most common class of nanosatellite being the CubeSat. The long-lasting nature of these objects is causing a significant number of close encounters between active and decommissioned satellites. An efficient way to address this problem is the use of inflatable aerodynamic decelerators (IAD) for the deorbit and recovery of nanosatellites. Furthermore, the application of this technology to CubeSats reentry and recovery missions could enhance the capabilities of these small satellites in a sustainable and accessible manner. Inflatable aerodynamic decelerators are devices designed to increase the area of the thermal protection system of a spacecraft regardless of the diameter constraints of the launch vehicle. These devices can be stored in a compact stowed configuration and expanded into a high-drag aeroshell for reentry and recovery applications. In this scenario, the primary objective of this investigation is to evaluate the impact of the IAD geometry on the flow, surface properties, and aerodynamic forces experienced by the spacecraft during reentry. In particular, numerical simulations are carried out on three distinct IAD configurations coupled with a 1U CubeSat during the upper stages of atmospheric reentry. The geometries considered in this study are assumed to be fully inflated, with a forebody radius of 0.3 m and three different cone angles of 68.8◦ , 45◦ , and fully rounded. Reentry of the IADs coupled with a 1U CubeSat payload was simulated considering nonreactive flow at 0◦ angle of attack and 105 km of altitude. Due to the high degree of flow rarefaction at this altitude, the Direct Simulation Monte Carlo method is used for all computations. The influence of the IAD geometries on the velocity, temperature, density, and pressure profiles and contours was carefully investigated and discussed. From the results, the formation of a strong diffuse shock wave can be observed for all geometries considered in this investigation. However, a lower angle of the inflatable aeroshell is associated with a thinner shock wave and a maximum shock wave temperature closer to the shield’s surface. These differences subside in the flow expansion over the IAD shoulder. In the rear of the inflatable shields, a low-temperature and low-velocity region is observed, indicating that the IAD geometries successfully mitigate the harsh conditions of reentry experienced by the payload. Moreover, it was found that aerodynamic elongated shapes exhibit larger wake regions when compared to blunt geometries, albeit at the expense of slightly higher gas temperature closer to the front surface of the shield. No recirculation zone was observed in any of the simulated IAD configurations considered in this investigation. The effect of the forebody geometry on the surface aerothermal coefficients and aerodynamic forces is discussed thoroughly. According to these results, the thermal load experienced by the shields is particularly severe near the stagnation point, especially for aerodynamically shaped geometries. This kind of geometry exhibited the highest maximum heat transfer coefficient and total heat transfer of all configurations studied. However, it also showed a lower heat transfer coefficient on the middle segment of the shield’s surface compared to the other geometries. In addition, the maximum pressure coefficient and the minimum shear stress coefficient were also identified at the nose tip, with the shear stress increasing toward the edge of the shoulder at a rate dependent on the geometry of the aeroshell. Geometries with aerodynamic profiles exhibited a low drag coefficient and a high ballistic coefficient, while more blunt geometries were found to have a better mass-to-drag ratio. The results show that thermal and mechanical loads decrease to negligible values in the rear section of the shield and on the CubeSat surface, further demonstrating the effectiveness of IAD devices in reducing mechanical loads on the payload. All simulations were carried out using the dsmcFoam+ code, an open-source Direct Simulation Monte Carlo solver. A validation and verification process is performed to assess the physical accuracy and numerical resilience of the dsmcFoam+ code under conditions similar to those employed in the main body of work of this investigation. For the validation process of one of the test cases, additional continuum-based computational fluid dynamic computations were performed by researchers from the University of Naples Federico II at the lowest altitude of analysis. The results of this process demonstrate that the dsmcFoam+ solver is an adequate tool for the numerical investigation of CubeSat-based IADs in rarefied reentry conditions.

En el marco del proyecto FONDEF ID16I10105, se propone un sistema de globo cautivo que funciona como estación meteorológica, con el fin de ser utilizado para la evaluación del recurso eólico sobre terreno complejo. El sistema se compone de un globo aerostático auto-orientable de alta estabilidad, anclado a la superficie por uno o más cables elásticos, que eleva plataformas que contienen los equipos de medición meteorológica a una altura predeterminada. Con el objetivo final de diseñar un sistema de control de la posición de las plataformas de medición, se utiliza un modelo estático existente de sistema de globo cautivo de tres anclajes, para desarrollar un código computacional que calcula la geometría de la estructura flexible en su estado de equilibrio, bajo la acción de un campo de flujo estacionario. La solución estática permite comparar el efecto de la forma del aerostato en el comportamiento de la estructura y entrega una condicion inicial en reposo para una simulación dinámica. Para el modelamiento de los cables que conforman la estructura flexible se utiliza una variante del método de elementos finitos conocido como método de masas concentradas. Debido al comportamiento no lineal se discretiza su largo en elementos elásticos lineales y se resuelve el sistema de equilibrio de cada elemento mediante el método de Newton-Raphson. Para el cálculo de las fuerzas aerodinámicas sobre la estructura flexible se utilizan los coeficientes de arrastre y el pricipio de flujo cruzado. Los aerostatos son modelados como cuerpos rígidos orientados de frente al viento, y se utiliza el método de volúmenes finitos para calcular las fuerzas generadas por el viento sobre la superficie del envoltorio. Se realizan simulaciones computacionales fluido-dinámicas de distintas formas geométricas de globo a una velocidad de viento constante y variando el ángulo de ataque, obteniéndose funciones de sus coeficientes aerodinámicos que permiten determinar el ángulo de ataque en equilibrio. Se escogen 5 formas distintas de globos: esférica, cilíndrica, ovoidal, NPL y GNVR; para comparar su comportamiento aerodinámico y el impacto de este en el sistema de globo cautivo. El modelo de cable se verifica utilizando soluciones análiticas encontradas en la literatura, y se utiliza una simulación en OpenFOAM de un globo esférico para verificar el modelo de aerostato y realizar un análisis de sensibilidad de la malla. El modelo de SGC simple se valida para los 5 tipos de globos a una velocidad de viento lenta, con flujo en transición a la turbulencia, y se comparan para un mismo valor del empuje neto y de longitud de cable. Los globos NPL y GNVR son comparados a velocidades más altas, con flujo turbulento completamente desarrollado, igualando su empuje neto para distintas configuraciones de longitud de cable, velocidad de viento y variación de volumen. Los resultados demuestran una variación de la altura menor al 5 % y desplazamiento horizontal del orden de los 20 [m], para los globos NPL y GNVR, a una velocidad de viento máxima de 15 [m/s]. El trabajo realizado busca entregar un primer acercamiento teórico del funcionamiento de un sistema de globo cautivo como estación fija y de esta manera generar una metodología para el diseño de este.

Uno de los principales problemas en el desarrollo de osteo-implantes es la diferen- cia de rigidez entre el material base de reemplazo y el hueso, fenómeno conocido como “stress-shielding”. Este fenómeno promueve la absorción ósea, lo que incrementa el ries- go de fractura del material biológico alrededor del implante. Una de las alternativas planteadas en este trabajo para mitigar este efecto es la de modificar la rigidez de un implante mediante el diseño optimizado de la estructura interna de espumas metálicas utilizadas como material de base en el diseño de estos elementos. En este proceso debe tenerse en cuenta que la manipulación de la estructura celular de la espuma para dis- minuir su rigidez tiene consecuencias adversas sobre su capacidad para soportar carga. Debido a la complejidad de la estructura interna del material y posibles costos en la sı́ntesis y análisis de probetas experimentales con diferentes configuraciones, el presente trabajo propone generar modelos computacionales de espumas metálicas y estimar sus propiedades mecánicas equivalentes mediante la simulación numérica. Con este objetivo se emplearon las estadı́sticas de las distribuciones de los parámetros geométricos del material poroso obtenidas a partir de imágenes 3D. Estas imágenes fueron obtenidas mediante la técnica de micro-tomografı́a computarizada (µCT) y sirvieron de base para crear diferentes modelos CAD de los cuales se extrajeron diferentes volúmenes repre- sentativos (RVE). Cada RVE es analizado con un protocolo prescrito de desplazamiento incluyendo condiciones de borde periódicas mediante un código de elementos finitos no lineal desarrollado para esta aplicación. Las simulaciones numéricas incluyen pruebas de tracción (xx, yy, zz) y cortante simple (xy, xz, yz). El tensor de esfuerzos efectivo en cada ensayo fue utilizado para obtener la matriz de constantes elásticas para cada RVE, y con ella, determinar propiedades mecánicas (módulos de Young, coeficientes de Poisson y módulos de Rigidez) y las componentes del tensor acústico para un total de 30 RVEs con diferentes porosidades (p = 5 %, 15 %, 30 %, 50 % y 65 %). El rango de variación de la velocidad de las ondas elásticas transversales se utilizó como criterio para cuantificar el ı́ndice de anisotropı́a (A∗ ) en cada una de las muestras virtuales.

En Chile, principalmente en el rubro minero, la abrasión del mineral limita fuertemente la vida útil de los equipos, afectando su productividad y costos de operación. Disponer de una herramienta numérica para predecir la pérdida de material asociado al desgaste abrasivo del mineral, permitiría disminuir los costos de experimentación y el riesgo en la etapa de diseño y re-diseño. En el presente trabajo se implementó el método numérico de elementos discretos (MED) para modelar el fenómeno de desgaste abrasivo en máquinas que interactúan con sólidos a granel. En particular, se simularon interacciones de sólidos a granel deslizándose sobre superficies, bajo distintas condiciones de presión y velocidad, donde el principal mecanismo de pérdida de material es el desgaste abrasivo [1]. Para predecir la pérdida de material, se utilizó el modelo de desgaste de Archard [2]. El método numérico se validó al modelar y contrastar los resultados del experimento de la rueda de desgaste [3], donde se midió el desgaste abrasivo del mineral de cobre y arena sobre una placa de acero estructural A37-24 ES, bajo distintas condiciones de granulometría y operación de la máquina de desgaste. Una etapa clave fue la calibración del modelo numérico, que permitió ajustar los parámetros de la modelación, logrando caracterizar el mineral de cobre y la arena como un sólido a granel en la simulación. En las simulaciones realizadas con sólidos a granel completamente calibrados, se obtuvieron resultados favorables en la predicción del patrón de desgaste y de la variación de la tasa de desgaste, al modificar la granulometría del mineral ensayado.

La energía solar fotovoltaica es una herramienta que está encontrando su lugar en el mercado, pero aún es necesario mejorar las técnicas de monitoreo para lograr un salto definitivo a ser una alternativa comercialmente atractiva para los inversionistas. El objetivo de esta investigación es desarrollar un algoritmo de monitoreo de paneles solares basado en análisis de imágenes, capaz de evaluar el rendimiento de múltiples módulos en operación simultáneamente basándose en una imagen RGB capturada en el espectro visible . El modelo diseñado debe ser simple, eficaz y capaz de aplicarse en múltiples condiciones. Para lograr este objetivo, se desarrollan dos enfoques principales, uno basado en arquitectura de redes neuronales artificiales, capaz de procesar características extraídas manualmente de las imágenes y usar la información para predecir el rendimiento de los módulos fotovoltaicos como un valor de carácter continuo. El algoritmo desarrollado muestra resultados prometedores para ensuciamiento de acumulación natural, con un R2 de 0; 96 y un error cuadrático medio de 4; 87 . 10-5 para el conjunto de validación, pero no es efectivo para sombreamiento parcial ni ensuciamiento de acumulación artificial. El segundo enfoque se basa en arquitectura de redes neuronales convoluciones, capaz de identificar, segmentar y analizar cada módulo fotovoltaico presente en una imagen y evaluar el rendimiento individualmente, como un valor categ´orico. Este nuevo enfoque es capaz de pronosticar correctamente el desempeñoo de módulos sujetos a ensuciamiento natural, artificial y sombreamiento parcial, alcanzando una precisión de un 73% sobre 8 categorías, y concentrando la mayor parte del error en categorías aledañas, logrando así una herramienta sólida para el diagnóstico de módulos fotovoltaicos