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Propuesta de trabajos de título para estudiantes de Ing. Civil Mecánica

El profesor Dr. Ing. Mario Letelier del Departamento de Ingeniería Mecánica ofrece propuesta de trabajos de título para estudiantes de Ingeniería Civil Mecánica, en el área de Transporte de fluidos no Newtonianos , Termofluidos y Reología aplicada.

Las siguientes propuestas de trabajos de titulación contemplan problemas de ingeniería aplicada que requieren un sólido conocimiento científico para el desarrollo de modelos físico – matemáticos que logren representar un problema propuesto real, el cual debe ser analizado y desarrollado por métodos analíticos bajo ciertos supuestos y consideraciones. Estos casos propuestos están asociados a problemas reales, donde a partir de su modelamiento y desarrollo matemático tienen por objetivo ser aplicados a problemas profesionales que se dan en distintos rubros de la industria, como son los procesos de transporte hidráulico de pulpas y material particulado, procesos de producción en la industria alimenticia, la industria cosmética y farmacéutica, fabricación de pinturas y pigmentos, problemas de diseño de boquillas por los cuales fluye un líquido con ciertas características reológicas como los extrusores de una impresora 3D, entre otros.

I Estudio de fluidos viscoplásticos

1. Efectos de la concentración de sólidos en flujos pseudo homogéneos bajo un comportamiento reológico tipo plástico de Bingham

En el estudio del transporte hidráulico de un flujo con concentración de sólidos como las pulpas mineras y relaves, es necesario obtener la Velocidad de Sedimentación correspondiente a la velocidad mínima que debe mantener el flujo para que no decanten las partículas, y por lo tanto, es considerado como parámetro de diseño en las etapas de ingeniería conceptual y básica.

En este trabajo, se requiere analizar el campo de velocidades y la eficiencia energética en un flujo pseudo homogéneo a través de ductos de sección arbitraria para estudiar el impacto de la concentración de sólidos en relación con el caudal y la eficiencia en el transporte hidráulico. Para esto, existen relaciones que permiten obtener la viscosidad de la mezcla en términos de la concentración. El método consiste en aplicar relaciones empíricas de viscosidad de la mezcla para incorporarlas a las ecuaciones constitutivas del modelo plástico de Bingham, y desarrollar un modelo bajo el método del factor de forma.

2. Diseño y optimización de boquillas para el proceso de envasado de pinturas y pigmentos viscoplásticos

En el proceso de envasado de las pinturas y pigmentos en contenedores pequeños, es requerido el uso de boquillas por la cual es extruido el fluido y depositado en el paquete. Existen estudios reológicos que han caracterizado a estas pinturas principalmente bajo modelos viscoplásticos que se rigen por la ley de potencia.
Esta propuesta requiere desarrollar un modelo físico – matemático mediante el cual pueda representarse una boquilla de sección variable, donde se espera optimizar su geometría para minimizar las pérdidas de carga, y aumentar la eficiencia en el proceso de llenado de los envases. Para ello se aplica un método de expansión asintótica que permite obtener el campo de velocidad y presión, para así estimar el gasto energético en el proceso.

3. Análisis del transporte hidráulico de mezclas heterogéneas mediante un modelo viscoplástico dependiente de la concentración de sólidos

El transporte hidráulico de material sólido como minerales (Slurry minero) o algunos productos alimenticios (transporte hidráulico de aceitunas) cuyo tamaño de partículas predominantes son de gran tamaño (mayores a 75 μm) es clasificado como pulpa sedimentable, ya que este depende de una velocidad de operación en la que no se genere deposición de material al fondo del ducto.

El interés del estudio de este fenómeno se debe a que tanto el contenido de sólidos como el comportamiento reológico de la pulpa afecta adversamente el comportamiento de las bombas
centrífugas, generando en ella menos altura (TDH) y una pérdida de eficiencia en el bombeo.

Esta propuesta requiere desarrollar un modelo físico – matemático en el que la viscosidad del flujo dependa del porcentaje de sólidos y su disposición espacial en la sección transversal, para analizar el impacto de la concentración de minerales en la eficiencia energética del transporte hidráulico

4. Estudio de pulpas pseudo homogéneas transportadas por gravedad a través de canales abiertos de sección arbitraria y su relación con la concentración de material particulado

En la industria, existen diferentes fluidos con concentraciones homogéneas de sólidos que son transportados a través de canales abiertos aprovechando una altura geográfica. Por ejemplo, el transporte de relaves con cierto porcentaje de minerales, el transporte de hormigón durante su proceso de fabricación (cuyo comportamiento es tipo Bingham), el transporte de algunos alimentos durante su producción como son algunas salsas, mermeladas, mezclas de flan, entre otros.

Esta propuesta requiere desarrollar un modelo físico – matemático mediante el cual pueda representarse un ducto de sección abierta y variable, donde se espera optimizar su geometría para reducir las pérdidas energéticas, y aumentar la eficiencia en el transporte hidráulico, relacionando el impacto que tiene la concentración de sólidos en el gasto energético.

II Estudio de fluidos viscoelásticos

5. Estudio de cargas variable en pavimento asfáltico a través del modelo constitutivo de Maxwell

En la actualidad, el fluido bituminoso comúnmente llamado Betún, posee alrededor de 250 usos en diferentes rubros (industrias, ferrocarriles, agricultura, edificios, pavimento, recreación, control de erosión e hidráulico), y reológicamente tiene un comportamiento viscoelástico lineal, definiendo su viscosidad en función de la temperatura y su rigidez por medio de la elasticidad de la ley de Hooke.

Aludiendo al comportamiento de este fluido en aplicaciones de obras viales, el análisis de la conducta reológica del asfalto aplicado a la fatiga de materiales podría ser una aproximación más cercana a la realidad y, por ende, un método más novedoso para el cálculo de cargas de servicio. Por lo tanto, en este trabajo se espera desarrollar un método novedoso para el estudio de fatiga en el pavimento para su servicio mediante el modelo constitutivo de Maxwell.

6. Impacto en la forma de la sección transversal del cilindro de transición en extrusoras para pastas

La caracterización reológica de los alimentos proporciona información relevante para poder formular las mejores estrategias para la línea de producción y control de calidad para el producto en cuestión. En la industria de las masas, donde se incluye la elaboración de pastas, panes, cereales instantáneos o los propios “Snacks”, los modelos constitutivos que logran una caracterización más cercana a la realidad son los modelos viscoelásticos no lineales.

El sistema de tratamiento de las masas pasa por una serie de etapas antes de obtener el producto final deseado. Al término del amasado, existen diferentes métodos para reducir el tamaño de la masa a través del laminado, cortes por moldes o por extrusión.

En este ámbito, el rediseño de dispositivos como la extrusora pueden permitir acelerar el nivel de producción de los alimentos, tema que es de gran interés por parte de las empresas ya que el método de extrusión para la elaboración de pastas es de los más usados en la industria. En este estudio, se espera observar el impacto en el transporte de masas que se obtiene al cambiar de forma la sección transversal de la extrusora a través de métodos analíticos como lo es el “método de factor de forma”.

Contacto:

Leandro Arancibia: leandro.arancibia@usach.cl
Mario Letelier: mario.letelier@usach.cl
Departamento de Ingeniería Mecánica sector Norte – Oficina 7 (CICES)

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