Comparación de un nuevo método de aceleración de análisis dinámicos con métodos de reducción de modelos

La dinámica estructural estudia la respuesta de una estructura ante cargas o fenómenos variables en el tiempo. En muchos casos, estos fenómenos requieren realizar análisis paramétricos de la estructura considerando una gran cantidad de configuraciones de diseño o modificaciones de la estructura. Estos cambios, ya sean en fases iniciales de diseño o en fases posteriores de rediseño, alteran las propiedades físicas de la estructura y por tanto del modelo empleado para su análisis, cuyo comportamiento dinámico se modifica en consecuencia. Un caso de estudio de este tipo de modificaciones es la supervisión de la integridad estructural, que trata de identificar la presencia de daño estructural y prever el comportamiento de la estructura tras ese daño, como puede ser la variación del comportamiento dinámico de la estructura debida a una delaminación, la aparición o crecimiento de grieta, la debida a la pérdida de pala sufrida por el motor de un avión en vuelo, o la respuesta dinámica de construcciones civiles como puentes o edificios frente a cargas sísmicas. Si a la complejidad de los análisis dinámicos requeridos en el caso de grandes estructuras se añade la variación de determinados parámetros en busca de una respuesta dinámica determinada o para simular la presencia de daños, resulta necesario la búsqueda de medios de simplificación o aceleración del conjunto de análisis que de otra forma parecen inabordables tanto desde el punto de vista del tiempo de computación, como de la capacidad requerida de almacenamiento y manejo de grandes volúmenes de archivos de datos. En la presente tesis doctoral se han revisado los métodos de reducción de elementos .nitos más habituales para análisis dinámicos de grandes estructuras. Se han comparado los resultados de casos de estudio de los métodos más aptos, para el tipo de estructuras y modificaciones descritas, con los resultados de aplicación de un método de reducción reciente. Entre los primeros están el método de condensación estática de Guyan extendido al caso con amortiguamiento no proporcional y posteriores implementaciones de condensaciones dinámicas en diferentes espacios vectoriales. El método de reducción recientemente presentado se denomina en esta tesis DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), y consiste en el análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura, calculada en el espacio modal complejo y que admite modificaciones estructurales. El método DACMAM permite seleccionar un número reducido de grados de libertad significativos para la dinámica del fenómeno que se quiere estudiar como son los puntos de aplicación de la carga, localizaciones de los cambios estructurales o puntos donde se quiera conocer la respuesta, de forma que al implementar las modificaciones estructurales, se ejecutan los análisis necesarios sólo de dichos grados de libertad sin pérdida de precisión. El método permite considerar alteraciones de masa, rigidez, amortiguamiento y la adición de nuevos grados de libertad. Teniendo en cuenta la dimensión del conjunto de ecuaciones a resolver, la parametrización de los análisis no sólo resulta posible, sino que es también manejable y controlable gracias a la sencilla implementación del procedimiento para los códigos habituales de cálculo mediante elementos .nitos. En el presente trabajo se muestra la bondad y eficiencia del método en comparación con algunos de los métodos de reducción de grandes modelos estructurales, verificando las diferencias entre sí de los resultados obtenidos y respecto a la respuesta real de la estructura, y comprobando los medios empleados en ellos tanto en tiempo de ejecución como en tamaño de ficheros electrónicos. La influencia de los diversos factores que se tienen en cuenta permite identificar los límites y capacidades de aplicación del método y su exhaustiva comparación con los otros procedimientos. ABSTRACT Structural dynamics studies the response of a structure under loads or phenomena which vary over time. In many cases, these phenomena require the use of parametric analyses taking into consideration several design configurations or modifications of the structure. This is a typical need in an engineering o¢ ce, no matter the structural design is in early or final stages. These changes modify the physical properties of the structure, and therefore, the finite element model to analyse it. A case study, that exempli.es this circumstance, is the structural health monitoring to predict the variation of the dynamical behaviour after damage, such as a delaminated structure, a crack onset or growth, an aircraft that suffers a blade loss event or civil structures (buildings or bridges) under seismic loads. Not only large structures require complex analyses to appropriately acquire an accurate solution, but also the variation of certain parameters. There is a need to simplify the analytical process, in order to bring CPU time, data .les, management of solutions to a reasonable size. In the current doctoral thesis, the most common finite element reduction methods for large structures are reviewed. Results of case studies are compared between a recently proposed method, herein named DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), and different condensation methods, namely static or Guyan condensation and dynamic condensation in different vectorial spaces. All these methods are suitable for considering non-classical damping. The reduction method DACMAM consist of a structural modification in the complex modal domain which provides a dynamic response solution for the reduced models. This process allows the selection of a few degrees of freedom that are relevant for the dynamic response of the system. These d.o.f. are the load application points, relevant structural points or points in which it is important to know the response. Consequently, an analysis with structural modifications implies only the calculation of the dynamic response of the selected degrees of freedom added, but with no loss of information. Therefore, mass, stiffness or damping modifications are easily considered as well as new degrees of freedom. Taking into account the size of the equations to be solved, the parameterization of the dynamic solutions is not only possible, but also manageable and controllable due to the easy implementation of the procedure in the standard finite element solvers. In this thesis, the proposed reduction method for large structural models is compared with other published model order reduction methods. The comparison shows and underlines the efficiency of the new method, and veri.es the differences in the response when compared with the response of the full model. The CPU time, the data files and the scope of the parameterization are also addressed.

X-parameters based analytical design of non-linear microwave circuits Application to oscillator design

Resumen El diseño clásico de circuitos de microondas se basa fundamentalmente en el uso de los parámetros s, debido a su capacidad para caracterizar de forma exitosa el comportamiento de cualquier circuito lineal. La relación existente entre los parámetros s con los sistemas de medida actuales y con las herramientas de simulación lineal han facilitado su éxito y su uso extensivo tanto en el diseño como en la caracterización de circuitos y subsistemas de microondas. Sin embargo, a pesar de la gran aceptación de los parámetros s en la comunidad de microondas, el principal inconveniente de esta formulación reside en su limitación para predecir el comportamiento de sistemas no lineales reales. En la actualidad, uno de los principales retos de los diseñadores de microondas es el desarrollo de un contexto análogo que permita integrar tanto el modelado no lineal, como los sistemas de medidas de gran señal y los entornos de simulación no lineal, con el objetivo de extender las capacidades de los parámetros s a regímenes de operación en gran señal y por tanto, obtener una infraestructura que permita tanto la caracterización como el diseño de circuitos no lineales de forma fiable y eficiente. De acuerdo a esta filosofía, en los últimos años se han desarrollado diferentes propuestas como los parámetros X, de Agilent Technologies, o el modelo de Cardiff que tratan de proporcionar esta plataforma común en el ámbito de gran señal. Dentro de este contexto, uno de los objetivos de la presente Tesis es el análisis de la viabilidad del uso de los parámetros X en el diseño y simulación de osciladores para transceptores de microondas. Otro aspecto relevante en el análisis y diseño de circuitos lineales de microondas es la disposición de métodos analíticos sencillos, basados en los parámetros s del transistor, que permitan la obtención directa y rápida de las impedancias de carga y fuente necesarias para cumplir las especificaciones de diseño requeridas en cuanto a ganancia, potencia de salida, eficiencia o adaptación de entrada y salida, así como la determinación analítica de parámetros de diseño clave como el factor de estabilidad o los contornos de ganancia de potencia. Por lo tanto, el desarrollo de una formulación de diseño analítico, basada en los parámetros X y similar a la existente en pequeña señal, permitiría su uso en aplicaciones no lineales y supone un nuevo reto que se va a afrontar en este trabajo. Por tanto, el principal objetivo de la presente Tesis consistiría en la elaboración de una metodología analítica basada en el uso de los parámetros X para el diseño de circuitos no lineales que jugaría un papel similar al que juegan los parámetros s en el diseño de circuitos lineales de microondas. Dichos métodos de diseño analíticos permitirían una mejora significativa en los actuales procedimientos de diseño disponibles en gran señal, así como una reducción considerable en el tiempo de diseño, lo que permitiría la obtención de técnicas mucho más eficientes. Abstract In linear world, classical microwave circuit design relies on the s-parameters due to its capability to successfully characterize the behavior of any linear circuit. Thus the direct use of s-parameters in measurement systems and in linear simulation analysis tools, has facilitated its extensive use and success in the design and characterization of microwave circuits and subsystems. Nevertheless, despite the great success of s-parameters in the microwave community, the main drawback of this formulation is its limitation in the behavior prediction of real non-linear systems. Nowadays, the challenge of microwave designers is the development of an analogue framework that allows to integrate non-linear modeling, large-signal measurement hardware and non-linear simulation environment in order to extend s-parameters capabilities to non-linear regimen and thus, provide the infrastructure for non-linear design and test in a reliable and efficient way. Recently, different attempts with the aim to provide this common platform have been introduced, as the Cardiff approach and the Agilent X-parameters. Hence, this Thesis aims to demonstrate the X-parameter capability to provide this non-linear design and test framework in CAD-based oscillator context. Furthermore, the classical analysis and design of linear microwave transistorbased circuits is based on the development of simple analytical approaches, involving the transistor s-parameters, that are able to quickly provide an analytical solution for the input/output transistor loading conditions as well as analytically determine fundamental parameters as the stability factor, the power gain contours or the input/ output match. Hence, the development of similar analytical design tools that are able to extend s-parameters capabilities in small-signal design to non-linear ap- v plications means a new challenge that is going to be faced in the present work. Therefore, the development of an analytical design framework, based on loadindependent X-parameters, constitutes the core of this Thesis. These analytical nonlinear design approaches would enable to significantly improve current large-signal design processes as well as dramatically decrease the required design time and thus, obtain more efficient approaches.

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration into concrete has become an area of great interest. The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model, which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation, consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified. The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out. In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed. It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés. El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales a realizar. Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo. Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas, tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la red porosa.

A characterization of conserved quantities in non-equilibrium thermodynamics

The well-known Noether theorem in Lagrangian and Hamiltonian mechanics associates symmetries in the evolution equations of a mechanical system with conserved quantities. In this work, we extend this classical idea to problems of non-equilibrium thermodynamics formulated within the GENERIC (General Equations for Non-Equilibrium Reversible-Irreversible Coupling) framework. The geometric meaning of symmetry is reviewed in this formal setting and then utilized to identify possible conserved quantities and the conditions that guarantee their strict conservation. Examples are provided that demonstrate the validity of the proposed definition in the context of finite and infinite dimensional thermoelastic problems.

Enhanced thermionic currents by non equilibrium electron population of metals

An analytical expression is derived for the electron thermionic current from heated metals by using a non equilibrium, modified Kappa energy distribution for electrons. This isotropic distribution characterizes the long high energy tails in the electron energy spectrum for low values of the index ? and also accounts for the Fermi energy for the metal electrons. The limit for large ? recovers the classical equilibrium Fermi-Dirac distribution. The predicted electron thermionic current for low ? increases between four and five orders of magnitude with respect to the predictions of the equilibrium Richardson-Dushmann current. The observed departures from this classical expression, also recovered for large ?, would correspond to moderate values of this index. The strong increments predicted by the thermionic emission currents suggest that, under appropriate conditions, materials with non equilibrium electron populations would become more efficient electron emitters at low temperatures.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

A model for chloride transport in concrete is proposed. The model accounts for transport several transport mechanisms such as diffusion, advection, migration, etc. This work shows the chloride transport equations at the macroscopic scale in non-saturated concrete. The equations involve diffusion, migration, capillary suction, chloride combination and precipitation mechanisms. The material is assumed to be infinitely rigid, though the porosity can change under influence of chloride binding and precipitation. The involved microscopic and macroscopic properties of the materials are measured by standardized methods. The variables which must be imposed on the boundaries are temperature, relative humidity and chloride concentration. The output data of the model are the free, bound, precipitated and total chloride ion concentrations, as well as the pore solution content and the porosity. The proposed equations are solved by means of the finite element method (FEM) implemented in MATLAB (classical Galerkin formulation and the streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) method to avoid spatial instabilities for advection dominated flows).

On a parabolic-elliptic chemotactic system with non-constant chemotactic sensitivity

We study a parabolic–elliptic chemotactic system describing the evolution of a population’s density “u” and a chemoattractant’s concentration “v”. The system considers a non-constant chemotactic sensitivity given by “χ(N−u)”, for N≥0, and a source term of logistic type “λu(1−u)”. The existence of global bounded classical solutions is proved for any χ>0, N≥0 and λ≥0. By using a comparison argument we analyze the stability of the constant steady state u=1, v=1, for a range of parameters. – For N>1 and Nλ>2χ, any positive and bounded solution converges to the steady state. – For N≤1 the steady state is locally asymptotically stable and for χN<λ, the steady state is globally asymptotically stable.

Diagnostics of classical and dusty plasmas w ith collecting and emissive langmuir probes = Diagnosis de plasmas clásicos y granulares mediante sondas colectoras y emisoras de Langmuir

Las sondas eléctricas se emplean habitualmente en la diagnosis de plasmas. La presente tesis aborda la operación de las sondas colectoras y emisoras de Langmuir en plasmas fríos de baja densidad. El estudio se ha centrado en la determinación del potencial de plasma, Vsp, mediante el potencial flotante de una sonda emisora. Esta técnica consiste en la medida del potencial de la sonda correspondiente a la condición de corriente neta igual a cero, el cual se denomina potencial flotante, VF. Este potencial se desplaza hacia el potencial del plasma según aumenta la emisión termoiónica de la sonda, hasta que se satura cerca de Vsp. Los experimentos llevados a cabo en la pluma de plasma de un motor iónico y en un plasma de descarga de glow muestran que la corriente de electrones termoiónicos es mayor que la corriente de electrones recogidos para una sonda polarizada por debajo del potencial del plasma, resultado inconsistente con la teoría tradicionalmente aceptada. Para investigar estos resultados se ha introducido el parámetro R, definido como el cociente entre la corriente de electrones emitidos y recogidos por la sonda. Este parámetro, que está relacionado con la diferencia de potencial VF - Vsp, también es útil para la descripción de los modos de operación de la sonda emisora (débil, fuerte y más allá del fuerte). Los resultados experimentales evidencian que, al contrario de lo que indica la teoría, R es mayor que la unidad. Esta discrepancia se puede solucionar introduciendo una población efectiva de electrones. Con dicha población, el nuevo modelo para la corriente total de la sonda reproduce los datos experimentales. El origen de este grupo electrónico es todavía una cuestión abierta, pero podría estar originada por una nueva estructura de potencial cerca de la sonda cuando ésta trabaja en el régimen de emisión fuerte. Para explicar dicha estructura de potencial, se propone un modelo unidimensional compuesto por un mínimo de potencial cerca de la superficie de la sonda. El análisis numérico indica que este pozo de potencial aparece para muy altas temperaturas de la sonda, reduciendo la cantidad de electrones emitidos que alcanzan el plasma y evitando así cualquier posible perturbación de éste. Los aspectos experimentales involucrados en el método del potencial flotante también se han estudiado, incluyendo cuestiones como las diferentes técnicas de obtención del VF, el cociente señal-ruido, el acoplamiento de la señal de los equipos utilizados para la obtención de las curvas I-V o la evidencia experimental de los diferentes modos de operación de la sonda. Estas evidencias empíricas se encuentran en todos los aspectos de operación de la sonda: la recolección de electrones, el potencial flotante, la precisión en las curvas I-V y la emisión electrónica. Ésta última también se estudia en la tesis, debido a que un fenómeno de super emisión tiene lugar en el régimen de emisión fuerte. En este modo de operación, las medidas experimentales indican que las corrientes termoiónicas de electrones son mayores que aquéllas predichas por la ecuación de Richardson-Dushman clásica. Por último, la diagnosis de plasmas usando sondas eléctrica bajo presencia de granos de polvo (plasmas granulares) en plasmas fríos de baja densidad también se ha estudiado, mediante la aplicación numérica de la técnica del potencial flotante de la sonda emisora en un plasma no convencional. Los resultados apuntan a que el potencial flotante de una sonda emisora se vería afectado por altas densidades de polvo o grandes partículas. ABSTRACT Electric probes are widely employed for plasma diagnostics. This dissertation concerns the operation of collecting and emissive Langmuir probes in low density cold plasmas. The study is focused on the determination of the plasma potential, Vsp, by means of the floating potential of emissive probes. This technique consists of the measurement of the probe potential, corresponding to the zero net probe current, which is the so-called floating potential, VF . This potential displaces towards the plasma potential as the thermionic electron emission increases, until it saturates near Vsp. Experiments carried out in the plasma plume of an ion thruster and in a glow discharge plasma show the thermionic electron current of the emissive Langmuir probe is higher than the collected electron current, for a probe with a bias potential below Vsp, which is inconsistent with the traditional accepted theory. To investigate these results, a parameter R is introduced as the ratio between the emitted and the collected electron current. This parameter, which is related to the difference VF - Vsp, is also useful for the description of the operation modes of the emissive Langmuir probe (weak, strong and beyond strong). The experimental results give an inconsistency of R > 1, which is solved by a modification of the theory for emissive probes, with the introduction of an effective electron population. With this new electron group, the new model for the total probe current agrees with the experimental data. The origin of this electron group remains an open question, but it might be originated by a new potential structure near the emissive probe when it operates in the strong emission regime. A simple one-dimension model composed by a minimum of potential near the probe surface is discussed for strongly emitting emissive probes. The results indicate that this complex potential structure appears for very high probe temperatures and the potential well might reduce the emitted electrons population reaching the plasma bulk. The experimental issues involved in the floating potential method are also studied, as the different obtaining techniques of VF, the signal-to-noise ratio, the signal coupling of the I-V curve measurement system or the experimental evidence of the probe operation modes. These empirical proofs concern all the probe operation aspects: the electron collection, the floating potential, the I-V curve accuracy as well as the electron emission. This last issue is also investigated in this dissertation, because a super emission takes place in the strong emission regime. In this operation mode, the experimental results indicate that the thermionic electron currents might be higher than those predicted by the classical Richardson-Dushman equation. Finally, plasma diagnosis using electric probes in the presence of dust grains (dusty plasmas) in low density cold plasmas is also addressed. The application of the floating potential technique of the emissive probe in a non-conventional complex plasma is numerically investigated, whose results point out the floating potential of the emissive probe might be shifted for high dust density or large dust particles.