Browsing by Author "Espinoza Jara, Ariel Orlando"

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    Experimental insights into sweep-induced mechanism of erosive wear in a straight pipe section with turbulent slurry flow
    (2025) Espinoza Jara, Ariel Orlando; Walczak, Magdalena; Vittorio Messa, Gianandrea; Brevis Vergara, Wernher Ariel; Pascone, Alessandro; Tedeschi, Cristina
    Reliable design and operation of slurry handling systems are critical in industries such as mining. This study examines erosion due to solid particle impacts in a straight pipe section, introducing the concept of “turbulent erosive wear”. Ultrasound particle image velocimetry (UPIV) is used to observe flow at the surface of a ductile target (copper). Experiments are conducted at flow velocities of 1.97 and 2.15 m/s, with particle sizes of 500 and 700m. Sweep events are identified, and their frequency, intensity, and duration are analysed using wavelet analysis. The results show that velocity impacts of solid particles during sweeps correlate with the geometry of wear scars. Turbulent erosive wear is linked to a characteristic threshold value of impact velocity. This value provides a measurable parameter to enhance predictive modelling and material selection for pipeline design.
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    On the applicability of ultrasound flow visualization for the study of erosive wear by solid particles projected from turbulent slurry
    (2025) Araya Araya, Millaray Rocío Andrea; Espinoza Jara, Ariel Orlando; Walczak, Magdalena; Rosenkranz, Andreas; Brevis, Wernher
    The study of erosion caused by turbulent flow of slurries is crucial for designing and operating the flow handling systems, predicting their reliability and useful life. This research explores the capacity of ultrasound particle image velocimetry (UPIV) for determining the impact parameters of solid particles projected from turbulent slurry onto a target surface. A slurry pot configuration was employed, and it was equipped with two linear transducers observing the flow at radial and axial planes. Three levels of rotational velocity were tested corresponding to the linear velocity of the moving target of 2.5, 3.0, and 3.5 m/s. For validation, the velocities and angles of individual particle impacts measured by UPIV were analyzed comparatively with analogous information derived by inverse analysis of effective wear scars using two deformation models. Velocity components measured by the two methods are statistically consistent for the two observation planes. The UPIV is concluded to present a new tool for the study of erosive wear with a focus on the slurry-target interface.
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    Projection of particles from the turbulent flow: the fundamental link to the understanding of erosive wear mechanism
    (2025) Espinoza Jara, Ariel Orlando; Walczak, Magdalena; Messa, Gianandrea; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Esta tesis profundiza en la comprensión del desgaste por erosión turbulenta en flujos con partículas en suspensión, mediante el estudio de las estructuras turbulentas coherentes, particularmente los Movimientos a Gran Escala (LSM, por sus siglas en inglés) y potencialmente los Movimientos a Escala Muy Grande (VLSM). Estas estructuras concentran una contribución significativa de la energía cinética turbulenta, llegando hasta un 60%, la cual puede transferirse a las partículas arrastradas, impulsándolas hacia las superficies y generando erosión. El análisis revela evidencia clara de la relación entre la dinámica de estas estructuras y las velocidades y ángulos de impacto de las partículas observados experimentalmente a partir del análisis inverso de las huellas de desgaste, lo que confirma la hipótesis central de que las estructuras turbulentas gobiernan el proceso erosivo en estos sistemas. Se identificaron parámetros clave del flujo y de las partículas como: el número de Reynolds, el número de Stokes, la concentración de sólidos, el ángulo de impacto y la velocidad de imapcto, que influyen directamente en la frecuencia y distribucion de los impactos erosivos. El estudio integra técnicas de simulación avanzadas (Simulación de Grandes Vortices, LES, acoplada con el modelo Multi-Phase Particle-in-Cell, MPPIC) junto con herramientas experimentales innovadoras como la Velocimetría por Imágenes de Ultrasonido (UPIV) y la Velocimetría por Seguimiento de Partículas (PTV), permitiendo caracterizar tanto la turbulencia de la fase líquida como el comportamiento de las partículas en las proximidades de las superficies sólidas. De manera relevante, los resultados respaldan un cambio hacia modelos de erosión basados en la energía transferida desde el flujo hacia la superficie, considerando la dureza del material erosionado y las estructuras coherentes del flujo, en contraposición a los enfoques tradicionales basados en el esfuerzo de fluencia. Un análisis de reducción de orden mediante POD y transformadas wavelet demostró que un número reducido de modos energéticos es capaz de predecir la coherencia espacio-temporal de eventos del tipo ”Sweep” responsables de los impactos de partículas. Además, se validó el uso de partículas equivalentes en tiempo de respuesta de Stokes, lo cual permitió simular partículas experimentales de mayor tamaño de forma eficiente sin comprometer la resolución de LES. Aunque persisten desafíos, como cuantificar la pérdida de masa superficial a largo plazo y mejorar la resolución de estos fenómenos cerca de la pared, este trabajo establece una base sólida para la modelación predictiva del desgaste por erosión turbulenta. Plantea los fundamentos para el desarrollo futuro de modelos más precisos, eficientes computacionalmente y validados experimentalmente, con aplicación directa en sistemas industriales de manejo de pulpas como lo son las tuberías.
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    Ultrasound particle image velocimetry in turbulent particle-laden flows: Line density correction with experimental validation
    (2025) Bone Fonte, Edwin Giovanny; Espinoza Jara, Ariel Orlando; Walczak, Magdalena Marta; Brevis Vergara, Wernher Ariel
    Thedynamics of solid particles in turbulent flows are crucial for industrial applications such as transport of mining slurries, where particle trajectories are essential for predicting erosive wear. This study evaluates the use of ultrasound particle image velocimetry (UPIV) to measure the velocity field of glass beads (250–300 µm; 1, 2, 3 wt.%) in a controlled turbulent setting (slurry pot, Stokes number 1.21–5.66, Reynolds number 1.75×105) validating the results against optical PIV measurements. A line density correction is developed to address the errors caused by electronic sweeping and transducer artifacts, both inherent to UPIV. The standard error in transversal velocity is reduced by 21.6%. Although UPIV operates at a lower frame rate (335 fps), wavelet analysis validates its effectiveness in capturing flow structures relevant to erosive wear. These findings highlight UPIV’s potential to advance the study of flow dynamics in opaque media.