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Proyectos

USM estudia el comportamiento de flujos turbulentos en gases o líquidos

FLUJOS TURBULENTOS

Por DR. CARLOS ROSALES

Académico del Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad Técnica Federico Santa María

Investigación analiza su comportamiento desordenado e impredecible en base a modelación computacional y utilizando una serie de técnicas de simulación a grandes escalas.

Desarrollar métodos computacionales que ayuden a comprender el comportamiento de flujos turbulentos presentes en las más diversas situaciones que involucran el movimiento de gases o líquidos, es el principal objetivo de la investigación desarrollada por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María.

La turbulencia fluidodinámica, un problema clásico de la física y que aún no ha podido ser resuelto, se relaciona con el estado de movimiento aparentemente desordenado, caótico e impredecible de cualquier fluido. Este fenómeno existe en todo tipo de flujos, desde la circulación atmosférica global que determina el comportamiento climático, hasta el flujo de sangre en los seres vivos. Y es que cualquier flujo turbulento comprende múltiples escalas de espacio y tiempo, que abarcan un rango desde vórtices de gran tamaño hasta escalas en donde pueda actuar la viscosidad molecular.

Dada la generalidad con la que se presentan flujos turbulentos en todo tipo de circunstancias que nos afectan directamente en nuestra vida, es importante que los ingenieros y científicos puedan contar con métodos para cuantificar y controlar estos efectos. La producción de energía, los motores de combustión interna, la aeronáutica, la industria química, el estudio de dispersión de contaminantes, la meteorología y la medicina, son algunos de los campos que se benefician con la investigación fundamental en turbulencia.

Debido a su complejidad, el problema es intratable solo por análisis matemático, de modo que es preciso recurrir a simulación mediante técnicas numéricas. Aun así, el carácter multi-escala del fenómeno, junto con la naturaleza de la interacción entre tales escalas, hacen que en la mayoría de los casos una simulación numérica directa demande una capacidad de cómputo abrumadoramente mayor que la del más potente supercomputador actual o que se visualice en el futuro.

Por tal razón, el análisis práctico se realiza introduciendo los denominados modelos de turbulencia. Estos modelos buscan reemplazar los efectos de los rangos de escalas menores por relaciones matemáticas adicionales, de manera de acotar el problema al rango de escalas mayores, y de ese modo hacerlo computacionalmente tratable.

Múltiples modelos y enfoques han sido utilizados para estos propósitos, lo cual constituye un área muy activa de investigación contemporánea en mecánica de fluidos. Esta investigación se enmarca en este campo y en lo que se denomina turbulencia sintética y contó con el apoyo de Fondecyt, permitiendo extender las capacidades del método de turbulencia sintética MTLM (por sus siglas en inglés) – desarrollado en conjunto con Charles Meneveau, ex alumno de Ingeniera Civil Mecánica de la USM y profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad Johns Hopkins, Estados Unidos- a casos en donde la turbulencia afecta también a variables como concentración o temperatura.

Estos resultados, divulgados en Physical Review E y en Physics of Fluids, han dado origen a más investigaciones, publicándose recientemente una variante más general de este método, desarrollada en colaboración con el profesor Yi Li de la Escuela de Matemática de la Universidad de Sheffield (Reino Unido).   

 

Por otra parte, un grupo de astrofísica de la Universidad de Delaware (USA) ha publicado recientemente en Astrophysical Journal una extensión del método MTLM a la turbulencia en plasmas, incorporando los efectos de campos magnéticos, y mostrando aplicaciones en estudios del viento solar y transporte de rayos cósmicos. Esto ilustra la amplitud de fenómenos en donde la turbulencia juega un rol preponderante y la necesidad de llegar a contar con una teoría universal sobre la misma.

Proyecto busca insertar el concepto de sustentabilidad a estudiantes en todas sus dimensiones y desafíos

La iniciativa en la que participa la académica Sheila Lascano se denomina “Teaching Students to Appreciate the Global Challenges of Sustainability” busca diseñar una metodología basada en el enfoque de estudios de casos para enseñar a los estudiantes a comprender y evaluar las distintas dimensiones y desafíos globales de la sustentabilidad en múltiples contextos.

proyecto 3.1 La sustentabilidad es un concepto ubicuo, complejo y poco definido, sin embargo, es una competencia clave para el diseño, los ingenieros y profesionales técnicos (de Vere, Melles, & Kapoor, 2011). Desafortunadamente, los estudiantes de ingeniería de hoy en día tienen una visión estrecha de la sustentabilidad, pensando en ello como simplemente el impacto ambiental o la eficiencia energética y no toman en cuenta los contextos sociales y económicos (contexto multidimensional de la sostenibilidad) (Allenby & Rajan, 2012). Una revisión de las estrategias para enseñar dicho concepto revela que en general esta actividad se enfoca principalmente en uno de los pilares de la sustentabilidad, con un enfoque bastante local (Arsat, Holgaard, & de Graaff, 2011).

A pesar de que en la educación se ha reconocido la importancia del concepto de sustentabilidad y entender su significado en múltiples contextos, la mayoría de los actuales programas gradúan ingenieros que son “… entrenados inadecuadamente para ser efectivos en realizar diseños socialmente responsables” (de Vere, et al., 2011), en otras palabras la enseñanza de la ingeniería se ha centrado tradicionalmente en el rendimiento técnico a expensas de la comprensión de la dinámica social y las implicaciones globales de la práctica de la ingeniería.

El objetivo principal de esta propuesta educativa es diseñar una metodología basada en el enfoque de estudios de casos para enseñar a los estudiantes a comprender y evaluar las distintas dimensiones y desafíos globales de la sustentabilidad en múltiples contextos, para alcanzar tanto los logros de aprendizaje en las asignaturas relacionadas al Diseño Mecánico y el área de Energía, como de las competencias transversales incluidas en el perfil de egreso del Ingeniero Mecánico. Para lograr dicho objetivo se crearán, ensayarán y evaluarán una serie de módulos de estudios de casos del mismo producto que serán implementados en diferentes instituciones de Norte América y Latinoamérica, los cuales serán comparados teniendo en cuenta los factores que contribuyen a las diferencias en la sustentabilidad. La evaluación será realizada aplicando estos estudios de casos en distintas etapas de evaluación en el desarrollo del currículo, en los cursos relacionados con Diseño y Procesos de manufactura, Producción y gestión de la calidad, Termodinámica, Transferencia de calor, Motores de combustión y Transporte. La investigación será abordada por medio de un enfoque metodológico mixto, que combina una mirada técnicas cuantitativas y cualitativas, destinadas a medir los resultados en término de logros de aprendizaje y observar los cambios en el dominio de las habilidades interpersonales de los estudiantes y de los profesores para implementar esta metodología.

Como resultado de ello se ha considerado i) una metodología basada en el enfoque de estudios de casos para enseñar a los estudiantes a comprender y evaluar las distintas dimensiones y desafíos globales de la sustentabilidad en múltiples contextos, y que permita medir, puntual y longitudinalmente a lo largo del desarrollo del currículo, logros de aprendizaje y habilidades interpersonales declaradas en el perfil de egreso, ii) publicar casos estudios on-line y un texto especializado, iii) realizar un workshop de entrenamiento para académicos, iv) iniciar de manera formal la implementación del concepto multidimensional de sustentabilidad en el Programa de Ingeniería Mecánica de la UTFSM. Asimismo, el proyecto persigue el fortalecimiento de los vínculos de colaboración con universidades extranjeras.

Investigación de académico del Departamento de Mecánica busca la caracterización de las propiedades mecánicas de espumas de cobre

El académico Luis Pérez Pozo, se encuentra trabajando en el proyecto denominado “Caracterización numérica y experimental de propiedades mecánicas de espumas de cobre reforzadas con partículas de segunda fase”, que espera plantear una alternativa para establecer los parámetros óptimos que conllevarán al logro de las propiedades mecánicas deseadas en un material poroso, reduciendo así los costos asociados al desarrollo experimental, el cual se realiza actualmente mediante ensayos destructivos.

proyecto 1.1 La búsqueda de nuevas aplicaciones y desarrollo de materiales en base a Cobre es un desafío importante y en abierta investigación, las espumas de cobre son un ejemplo de ello.

Las espumas de cobre reforzadas con partículas de segunda fase son materiales que tienen como objetivo mantener las propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y acústicas del cobre disminuyendo su densidad especifica (peso) e incrementando su resistencia mecánica.

La evaluación de las propiedades mecánicas de las espumas de cobre es un tema de interés en este tipo de materiales. Las mediciones realizadas mediante ensayos de compresión uniaxial (Ensayo Destructivo) han mostrado ser significativamente distintas e imprecisas respecto a las realizadas en forma dinámica mediante técnicas de ultrasonido (Ensayo No Destructivo). Cabe mencionar que en una espuma metálica existen distintas secciones transversales de la y durante el ensayo de compresión uniaxial la muestra comienza a colapsar en la sección con menor contenido de material de la matriz. Por otro lado, en la técnica de ultrasonido las propiedades mecánicas se miden en función de la velocidad de la onda que viaja a través de todas las secciones de la muestra, por lo tanto un cambio en tiempo de transferencia, atenuación, reflexión y frecuencia asociados con la alta frecuencia de transición de las ondas de un lado al otro del material estarán relacionado con variaciones de las propiedades físicas.

El objetivo de este proyecto es desarrollar un modelo numérico mediante el Método de Elementos Finitos que permita la caracterización de las propiedades mecánicas de espumas de cobre reforzadas con partículas de segunda fase. Para la calibración de dicho modelo se emplearán resultados experimentales obtenidos mediante la técnica de ultrasonido, los cuales permitirán la validación del mismo. Con el desarrollo de este modelo se busca plantear una alternativa para establecer los parámetros óptimos que conllevarán al logro de las propiedades mecánicas deseadas en un material poroso, reduciendo los costos asociados al desarrollo experimental el cual se realiza actualmente mediante ensayos destructivos.

Proyecto USM sobre implantes de titanio busca mejorar su biofuncionalidad

La investigación en la que participa la académica del Departamento de Mecánica, Sheila Lascano se denomina “Caracterización de espumas de titanio con tamaño de grano Ultrafino para Implantes Biomédicos Fabricadas Mediante Técnicas de Pulvimetalurgia No Convencionales” y tiene como objetivo reducir el fenómeno de apantallamiento de tensiones

proyecto 2.1 De acuerdo a la organización mundial de la salud, Chile ha sido reconocido como el país con la población más longeva en América Latina y como el segundo país que suma más años de vida entre sus habitantes en las últimas dos décadas. El reporte indica que en general la población vive 11 años más que el promedio a nivel mundial (68 años). El envejecimiento de la población, y diferentes tipos enfermedades conllevan a que la mayoría de los tejidos óseos muestren una importante degradación de sus propiedades, condicionando la calidad de vida de las personas, convirtiéndose en un problema de salud pública. Respecto a su tratamiento clínico y sustitución, el titanio puro (Ti c.p.) y la aleación Ti6Al4V son los biomateriales con mayor éxito clínico, debido a su excelente equilibrio entre propiedades mecánicas y biocompatibilidad. Se estima que al ser casi bioinerte, ésta es la razón principal para su buen comportamiento tanto in vitro como in vivo. Sin embargo, existen tres limitaciones que pueden comprometer su confiabilidad: 1) la rigidez del titanio es mayor que la del hueso lo cual produce el fenómeno de apantallamiento de tensiones (stress-shielding) promoviendo la reabsorción ósea alrededor del implante con un riesgo de falla asociado; 2) a pesar de su alta capacidad de osteointegración, el titanio está rodeado por una delgada cápsula de tejido fibroso incrementando el riesgo de aflojamiento aséptico del implante, y 3) se requieren más estudios acerca de la predicción de la vida de implantes de titanio bajo el criterio de prevención del daño, el cual es la única filosofía de diseño admisible para el desarrollo de biomateriales.

En la actualidad, Chile no es un productor de implantes. El alto costo de importación desde Estados Unidos y Europa, incrementa la dificultad para resolver los problemas sociales que esto implica. Por esta razón, es un reto importante desarrollar materiales adecuados para la aplicación del reemplazo del hueso.

El principal objetivo de este proyecto es obtener mediante metalurgia de polvos (PM) estructuras de titanio poroso con tamaño de grano ultrafino que permitan reducir el fenómeno de apantallamiento de tensiones sin comprometer la confiabilidad durante la aplicación, garantizando la biofuncionalidad del implante.

Con el fin de lograr este objetivo, se propone desarrollar los siguientes objetivos específicos: (1) Fabricar a escala de laboratorio espumas de Titanio poroso de grano ultrafino con y sin microestructura bi-modal usando la técnica de espaciadores. (2) evaluar los parámetros de procesamiento con el fin de obtener el control de la porosidad usando NaCl como espaciador; (3) evaluar el efecto de los parámetros de procesamiento sobre la microestructura (tamaño de poros, interconectividad de poros y porosidad), y el comportamiento macro-micro mecánico de las muestras.

Para conseguir los objetivos propuestos se cuenta con el apoyo de la infraestructura del laboratorio de metalurgia y materiales, el cual ha logrado un equipamiento científico que permitirá abarcar con alto rigor el desarrollo de esta investigación. Actualmente, el laboratorio cuenta con un proyecto Fondecyt, a cargo del colega Claudio Aguilar, quien hace parte del grupo de investigación asociado a este proyecto.

Con el desarrollo de esta investigación se espera: (a) obtener espumas metálicas de titanio de grano ultrafino con y sin microestructura bimodal, (b) evaluar la viabilidad del espaciador y la técnica PM para producir distintos porcentajes de porosidad reduciendo al mínimo la segregación causada por el tamaño de partículas nanométrico; (c) conseguir un tamaños de poros mayor a 100 micrones y porosidad altamente interconectada con el fin de garantizar el libre acceso del fluido fisiológico, plasma sanguíneo y colonización celular (d) controlar el módulo de Young con el fin de resolver el apantallamiento de tensiones asegurando que la pérdida de resistencia mecánica asociada a la porosidad no comprometa la confiabilidad durante la aplicación. Asimismo, el proyecto apunta al fortalecimiento de la formación de un grupo de investigación en nuevos materiales y se enmarca dentro de las líneas de investigación que el Departamento de Ingeniería Mecánica y su programa de Magister han definido.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

El principal objetivo de este proyecto es obtener, mediante metalurgia de polvos (PM), espumas de titanio con tamaño de grano ultrafino que permitan reducir el fenómeno de apantallamiento de tensiones

OBJETIVOS ESPECIFICOS

1) Sintetizar a escala de laboratorio espumas de Titanio poroso de grano ultrafino con y sin microestructura bimodal usando la técnica de espaciadores.

2) Evaluar los parámetros de procesamiento con el fin de obtener el control de la porosidad usando NaCl como espaciador.

3) Estudiar el efecto de los parámetros de procesamiento sobre la microestructura (tamaño de poros, interconectividad de poros y porosidad), y el comportamiento macro-micro mecánico de las muestras.

4) Evaluar factibilidad de producción de espumas a escala piloto