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A través de la utilización del software ANSYS Fluent 18.2, la metodología seguida en el presente estudio es la siguiente:

El trabajo completo se divide en dos etapas. En la primera, se realizan múltiples simulaciones del flujo de agua en un canal rectangular con dimensiones idénticas al utilizado

en la memoria de título de Ingeniero Civil “Caracterización Hidráulica de Flujo Hiperconcentrado de Relaves en Canales”, realizada por Jorge Alejandro Martínez Varas. En esta etapa, se pretende calibrar el modelo general para su posterior utilización en las simulaciones del flujo de pulpas.

En la Etapa 2, se realizan una serie de simulaciones de dos escurrimientos de pulpa estudiados en la memoria de título mencionada. Aquí, se prueban distintas opciones de modelación para simular adecuadamente los flujos de pulpas reales. Los resultados de las simulaciones son posteriormente contrastados con las mediciones de laboratorio para evaluar el desempeño de los modelos utilizados.

El detalle de lo que se realiza en cada etapa se especifica a continuación:

7.1

Etapa 1

Esta es una etapa exploratoria donde se realizan variadas simulaciones transientes bifásicas de aire + agua a través de un canal rectangular utilizando distintos mallados, modelos multifásicos y modelos de turbulencia. Se realizan pruebas utilizando mallados hexaédricos y triangulares, con y sin inflación, y con distinta cantidad de celdas, resultando en mallas con refinamiento intermedio y fino.

El objetivo de utilizar distintos mallados es encontrar uno en el cual se obtengan resultados suficientemente precisos con una rapidez de cálculo óptima.

En cuanto a la utilización de los distintos modelos multifásicos y de turbulencia ofrecidos por Fluent, el objetivo de esta etapa es, a grandes rasgos, conocer los alcances y limitaciones de aquellos modelos. Además, se busca la calibración del modelo general tal de determinar una rugosidad de pared adecuada y los valores apropiados para los diversos parámetros de los modelos.

Para realizar lo anterior, los resultados de cada simulación son comparados con el eje hidráulico teórico del flujo tomando en cuenta las condiciones iniciales y las condiciones de borde específicas. De esta forma, los resultados arrojados por Fluent son validados y analizados en función de los resultados teóricos esperados, tal de cumplir con los objetivos mencionados. Cabe destacar que el ejercicio que se realiza está asociado a un problema de flujo permanente y variado, según las definiciones expuestas en la sección 4.3.

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Dado que Fluent no puede entregar el resultado de la altura o nivel de la superficie libre del flujo directamente, para la estimación de lo anterior en una sección de interés cualquiera se pueden utilizar dos métodos: velocidad media en la sección e iso-superficie con fracción de volumen de aire igual a 0,5. Estos métodos se describen a continuación:

Velocidad Media en la Sección

Se obtiene la velocidad promedio del fluido 𝑣̅ en la sección de interés. Dado que la geometría del canal es conocida y el caudal circulante también, se estima la profundidad del flujo, ℎ, como sigue:

ℎ = 𝑄

𝑏 ∙ 𝑣̅ (57)

Donde 𝑄 es el caudal circulante y 𝑏 es el ancho del canal rectangular.

Iso-superficie con fracción de volumen de aire igual a 0,5

Este es un método gráfico donde se genera una iso-superficie en el dominio fluido que considera el lugar geométrico donde se cumple que el volumen de fracción del aire es igual a 0,5. Luego, se procede a obtener la coordenada vertical de la superficie generada, con lo que se determina la profundidad del flujo en todo el dominio fluido.

7.2

Etapa 2

En esta etapa se realizan variadas simulaciones transientes que buscan representar las experiencias F.3 y B.4 desarrolladas por Jorge Alejandro Martínez Varas en su memoria de título.

Por cada experiencia (F.3 y B.4), se realiza una modelación bifásica aire + pulpa y una modelación trifásica aire + agua + partículas, donde se utiliza el tamaño de partículas medio, d50, para caracterizar los sólidos de la mezcla. De esta forma, para las dos experiencias reales de Martínez se llevan a cabo un total de 4 simulaciones. Adicionalmente, para la experiencia F.3 se realiza un intento de modelación con 4 fases: aire + agua + partículas 1 + partículas 2, donde se utilizan dos diámetros distintos para caracterizar los sólidos gruesos y finos de la mezcla.

Es importante entender que cuando se habla de una modelación bifásica donde una de las fases es pulpa (y la otra aire), lo que se hace es utilizar una densidad y viscosidad equivalente para la fase líquida tal de representar las características propias de la pulpa real. En contraparte, si la modelación es trifásica, entonces la pulpa es modelada a través de la mezcla de agua y partículas sólidas.

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El objetivo de esta etapa es probar las distintas opciones de modelación mencionadas tal de estudiar sus resultados y sus capacidades de representar la realidad. Esto se realiza a través de una validación de los resultados de las simulaciones con las mediciones de 25 velocidades locales en una sección transversal, para la condición de escurrimiento desarrollado y con altura normal, tomadas por Jorge Alejandro Martínez Varas en su memoria de título.

Con lo anterior, los resultados que se extraen de cada simulación son los siguientes: • Distribución de velocidades en el área transversal del flujo desarrollado. • Altura o profundidad del flujo.

• Energía Cinética Turbulenta (k) e Intensidad de Turbulencia para el flujo desarrollado.

Cabe mencionar que, dada la gran cantidad de parámetros que se deben definir al utilizar el modelo Euleriano con fase secundaria granular, la revisión literaria realizada y expuesta en el capítulo 3 se presta como una guía general para la definición de éstos en las modelaciones efectuadas en este estudio, las cuales se presentan en la sección 9: Modelación CFD y Resultados.

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