Comportamiento aerodinámico de barreras cortavientos 1

El trabajo presenta resultados de la exploración del campo de velocidades en estelas de distintos modelos de barreras porosas, con vistas a suposible utilización para proteger plantaciones o zonas habitadas de los efectos perniciosos del viento. Los ensayos se han hecho en túnel aerodinámico y, para las medidas, se ha utilizado un anemómetro de hilo caliente. Se ha medido: la velocidad media temporal, el nivel de turbulencia y, en algunos casos, el transporte turbulento y la inclinación del vector velocidad, en cuatro secciones distintas corriente abajo de cada barrera. El trabajo está dividido en ocho capítulos. En el primero se discute la posible utilidad de las barreras en agricultura. En el segundo se revisan ciertas características de las estelas turbulentas de diferentes obstáculos,con el fin de contrastar los resultados obtenidos con otros análogos. En el capítulo tercero se describen los métodos de medida. El cuarto presenta el grueso de los resultados, y los cuatro siguientes: la influencia del número de Reynolds, rugosidad del suelo, perfil del viento incidente y presencia de las paredes y techo del túnel, respectivamente. Los ensayos muestran que los perfiles de velocidades correspondientes a secciones situadas a cierta distancia de la barrera (mayor de seis a ocho veces la altura de ésta) se asemejan a los de un semichorro de baja velocidad que descarga paralelamente a una corriente más rápida. Los perfiles próximos y las condiciones iniciales del semichorro dependen de la configuración de la barrera. El modelo del semichorro equivalente permite calcular las características de la estela a distancias mayores que las que es posible reproducir en los experimentos. Por otra parte, sugiere ciertas modificaciones de la forma de la barrera para aumentar la longitud de la zona protegida del viento. La rugosidad del suelo y la existencia de perfiles de viento distintos del uniforme y más ajustados a la realidad, contribuyen a disminuir la longitud de la zona protegida. Esta observación está de acuerdo con los resultados de otros autores. Se observa que el nivel de turbulencia es muy sensible a las características geométricas de la barrera, lo que sugiere la posibilidad de controlar la capa límite sobre el terreno y, por tanto, el transporte de calor y masa en provecho de la productividad de cultivo. El trabajo que se presenta es parte de un programa más amplio, que tiene por objeto transmitir tecnología avanzada a ciertos dominios de interés para la agricultura y la industria.

Computation of nonlinear streaky structures in boundary layer flow

En esta tesis se integran numéricamente las ecuaciones reducidas de Navier Stokes (RNS), que describen el flujo en una capa límite tridimensional que presenta también una escala característica espacial corta en el sentido transversal. La formulación RNS se usa para el cálculo de “streaks” no lineales de amplitud finita, y los resultados conseguidos coinciden con los existentes en la literatura, obtenidos típicamente utilizando simulación numérica directa (DNS) o nonlinear parabolized stability equations (PSE). El cálculo de los “streaks” integrando las RNS es mucho menos costoso que usando DNS, y no presenta los problemas de estabilidad que aparecen en la formulación PSE cuando la amplitud del “streak” deja de ser pequeña. El código de integración RNS se utiliza también para el cálculo de los “streaks” que aparecen de manera natural en el borde de ataque de una placa plana en ausencia de perturbaciones en la corriente uniforme exterior. Los resultados existentes hasta ahora calculaban estos “streaks” únicamente en el límite lineal (amplitud pequeña), y en esta tesis se lleva a cabo el cálculo de los mismos en el régimen completamente no lineal (amplitud finita). En la segunda parte de la tesis se generaliza el código RNS para incluir la posibilidad de tener una placa no plana, con curvatura en el sentido transversal que varía lentamente en el sentido de la corriente. Esto se consigue aplicando un cambio de coordenadas, que transforma el dominio físico en uno rectangular. La formulación RNS se integra también expresada en las correspondientes coordenadas curvilíneas. Este código generalizado RNS se utiliza finalmente para estudiar el flujo de capa límite sobre una placa con surcos que varían lentamente en el sentido de la corriente, y es usado para simular el flujo sobre surcos que crecen en tal sentido. Abstract In this thesis, the reduced Navier Stokes (RNS) equations are numerically integrated. This formulation describes the flow in a three-dimensional boundary layer that also presents a short characteristic space scale in the spanwise direction. RNS equations are used to calculate nonlinear finite amplitude “streaks”, and the results agree with those reported in the literature, typically obtained using direct numerical simulation (DNS) or nonlinear parabolized stability equations (PSE). “Streaks” simulations through the RNS integration are much cheaper than using DNS, and avoid stability problems that appear in the PSE when the amplitude of the “streak” is not small. The RNS integration code is also used to calculate the “streaks” that naturally emerge at the leading edge of a flat plate boundary layer in the absence of any free stream perturbations. Up to now, the existing results for these “streaks” have been only calculated in the linear limit (small amplitude), and in this thesis their calculation is carried out in the fully nonlinear regime (finite amplitude). In the second part of the thesis, the RNS code is generalized to include the possibility of having a non-flat plate, curved in the spanwise direction and slowly varying in the streamwise direction. This is achieved by applying a change of coordinates, which transforms the physical domain into a rectangular one. The RNS formulation expressed in the corresponding curvilinear coordinates is also numerically integrated. This generalized RNS code is finally used to study the boundary layer flow over a plate with grooves which vary slowly in the streamwise direction; and this code is used to simulate the flow over grooves that grow in the streamwise direction.

Metodologías de modelado, monitorización y asistencia robótica en neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

La Organización Mundial de la Salud (OMS) prevé que para el año 2020, el Daño Cerebral Adquirido (DCA) estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad. Estas lesiones, dadas sus consecuencias físicas, sensoriales, cognitivas, emocionales y socioeconómicas, cambian dramáticamente la vida de los pacientes y sus familias. Las nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de la medicina intensiva en la atención al DCA han mejorado notablemente la probabilidad de supervivencia. Sin embargo, hoy por hoy, las lesiones cerebrales no tienen ningún tratamiento quirúrgico que tenga por objetivo restablecer la funcionalidad perdida, sino que las terapias rehabilitadoras se dirigen hacia la compensación de los déficits producidos. Uno de los objetivos principales de la neurorrehabilitación es, por tanto, dotar al paciente de la capacidad necesaria para ejecutar las Actividades de Vida Diaria (AVDs) necesarias para desarrollar una vida independiente, siendo fundamentales aquellas en las que la Extremidad Superior (ES) está directamente implicada, dada su gran importancia a la hora de la manipulación de objetos. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma centrado en ofrecer una práctica personalizada, monitorizada y ubicua con una valoración continua de la eficacia y de la eficiencia de los procedimientos y con capacidad de generar conocimientos que impulsen la ruptura del paradigma de actual. Los nuevos objetivos consistirán en minimizar el impacto de las enfermedades que afectan a la capacidad funcional de las personas, disminuir el tiempo de incapacidad y permitir una gestión más eficiente de los recursos. Estos objetivos clínicos, de gran impacto socio-económico, sólo pueden alcanzarse desde una apuesta decidida en nuevas tecnologías, metodologías y algoritmos capaces de ocasionar la ruptura tecnológica necesaria que permita superar las barreras que hasta el momento han impedido la penetración tecnológica en el campo de la rehabilitación de manera universal. De esta forma, los trabajos y resultados alcanzados en la Tesis son los siguientes: 1. Modelado de AVDs: como paso previo a la incorporación de ayudas tecnológicas al proceso rehabilitador, se hace necesaria una primera fase de modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de las actividades que se realizan como parte de la terapia. En particular, las tareas más complejas y a su vez con mayor repercusión terapéutica son las AVDs, cuya formalización permitirá disponer de modelos de movimiento sanos que actuarán de referencia para futuros desarrollos tecnológicos dirigidos a personas con DCA. Siguiendo una metodología basada en diagramas de estados UML se han modelado las AVDs 'servir agua de una jarra' y 'coger un botella' 2. Monitorización ubícua del movimiento de la ES: se ha diseñado, desarrollado y validado un sistema de adquisición de movimiento basado en tecnología inercial que mejora las limitaciones de los dispositivos comerciales actuales (coste muy elevado e incapacidad para trabajar en entornos no controlados); los altos coeficientes de correlación y los bajos niveles de error obtenidos en los corregistros llevados a cabo con el sistema comercial BTS SMART-D demuestran la alta precisión del sistema. También se ha realizado un trabajo de investigación exploratorio de un sistema de captura de movimiento de coste muy reducido basado en visión estereoscópica, habiéndose detectado los puntos clave donde se hace necesario incidir desde un punto de vista tecnológico para su incorporación en un entorno real 3. Resolución del Problema Cinemático Inverso (PCI): se ha diseñado, desarrollado y validado una solución al PCI cuando el manipulador se corresponde con una ES humana estudiándose 2 posibles alternativas, una basada en la utilización de un Perceptrón Multicapa (PMC) y otra basada en sistemas Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). La validación, llevada a cabo utilizando información relativa a los modelos disponibles de AVDs, indica que una solución basada en un PMC con 3 neuronas en la capa de entrada, una capa oculta también de 3 neuronas y una capa de salida con tantas neuronas como Grados de Libertad (GdLs) tenga el modelo de la ES, proporciona resultados, tanto de precisión como de tiempo de cálculo, que la hacen idónea para trabajar en sistemas con requisitos de tiempo real 4. Control inteligente assisted-as-needed: se ha diseñado, desarrollado y validado un algoritmo de control assisted-as-needed para una ortesis robótica con capacidades de actuación anticipatoria de la que existe un prototipo implementado en la actualidad. Los resultados obtenidos demuestran cómo el sistema es capaz de adaptarse al perfil disfuncional del paciente activando la ayuda en instantes anteriores a la ocurrencia de movimientos incorrectos. Esta estrategia implica un aumento en la participación del paciente y, por tanto, en su actividad muscular, fomentándose los procesos la plasticidad cerebral responsables del reaprendizaje o readaptación motora 5. Simuladores robóticos para planificación: se propone la utilización de un simulador robótico assisted-as-needed como herramienta de planificación de sesiones de rehabilitación personalizadas y con un objetivo clínico marcado en las que interviene una ortesis robotizada. Los resultados obtenidos evidencian como, tras la ejecución de ciertos algoritmos sencillos, es posible seleccionar automáticamente una configuración para el algoritmo de control assisted-as-needed que consigue que la ortesis se adapte a los criterios establecidos desde un punto de vista clínico en función del paciente estudiado. Estos resultados invitan a profundizar en el desarrollo de algoritmos más avanzados de selección de parámetros a partir de baterías de simulaciones Estos trabajos han servido para corroborar las hipótesis de investigación planteadas al inicio de la misma, permitiendo, asimismo, la apertura de nuevas líneas de investigación. Summary The World Health Organization (WHO) predicts that by the year 2020, Acquired Brain Injury (ABI) will be among the ten most common ailments. These injuries dramatically change the life of the patients and their families due to their physical, sensory, cognitive, emotional and socio-economic consequences. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, in spite of these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish the lost functions. Neurorehabilitation therapies address this problem by restoring, minimizing or compensating the functional alterations in a person disabled because of a nervous system injury. One of the main objectives of Neurorehabilitation is to provide patients with the capacity to perform specific Activities of the Daily Life (ADL) required for an independent life, especially those in which the Upper Limb (UL) is directly involved due to its great importance in manipulating objects within the patients' environment. The incorporation of new technological aids to the neurorehabilitation process tries to reach a new paradigm focused on offering a personalized, monitored and ubiquitous practise with continuous assessment of both the efficacy and the efficiency of the procedures and with the capacity of generating new knowledge. New targets will be to minimize the impact of the sicknesses affecting the functional capabilitiies of the subjects, to decrease the time of the physical handicap and to allow a more efficient resources handling. These targets, of a great socio-economic impact, can only be achieved by means of new technologies and algorithms able to provoke the technological break needed to beat the barriers that are stopping the universal penetration of the technology in the field of rehabilitation. In this way, this PhD Thesis has achieved the following results: 1. ADL Modeling: as a previous step to the incorporation of technological aids to the neurorehabilitation process, it is necessary a first modelling and formalization phase of the knowledge associated to the execution of the activities that are performed as a part of the therapy. In particular, the most complex and therapeutically relevant tasks are the ADLs, whose formalization will produce healthy motion models to be used as a reference for future technological developments. Following a methodology based on UML state-chart diagrams, the ADLs 'serving water from a jar' and 'picking up a bottle' have been modelled 2. Ubiquitous monitoring of the UL movement: it has been designed, developed and validated a motion acquisition system based on inertial technology that improves the limitations of the current devices (high monetary cost and inability of working within uncontrolled environments); the high correlation coefficients and the low error levels obtained throughout several co-registration sessions with the commercial sys- tem BTS SMART-D show the high precision of the system. Besides an exploration of a very low cost stereoscopic vision-based motion capture system has been carried out and the key points where it is necessary to insist from a technological point of view have been detected 3. Inverse Kinematics (IK) problem solving: a solution to the IK problem has been proposed for a manipulator that corresponds to a human UL. This solution has been faced by means of two different alternatives, one based on a Mulilayer Perceptron (MLP) and another based on Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). The validation of these solutions, carried out using the information regarding the previously generated motion models, indicate that a MLP-based solution, with an architecture consisting in 3 neurons in the input layer, one hidden layer of 3 neurons and an output layer with as many neurons as the number of Degrees of Freedom (DoFs) that the UL model has, is the one that provides the best results both in terms of precission and in terms of processing time, making in idoneous to be integrated within a system with real time restrictions 4. Assisted-as-needed intelligent control: an assisted-as-needed control algorithm with anticipatory actuation capabilities has been designed, developed and validated for a robotic orthosis of which there is an already implemented prototype. Obtained results demonstrate that the control system is able to adapt to the dysfunctional profile of the patient by triggering the assistance right before an incorrect movement is going to take place. This strategy implies an increase in the participation of the patients and in his or her muscle activity, encouraging the neural plasticity processes in charge of the motor learning 5. Planification with a robotic simulator: in this work a robotic simulator is proposed as a planification tool for personalized rehabilitation sessions under a certain clinical criterium. Obtained results indicate that, after the execution of simple parameter selection algorithms, it is possible to automatically choose a specific configuration that makes the assisted-as-needed control algorithm to adapt both to the clinical criteria and to the patient. These results invite researchers to work in the development of more complex parameter selection algorithms departing from simulation batteries Obtained results have been useful to corroborate the hypotheses set out at the beginning of this PhD Thesis. Besides, they have allowed the creation of new research lines in all the studied application fields.

Acoustic properties of microperforated panels and their optimizatión by simulated annealing

This thesis investigates the acoustic properties of microperforated panels as an alternative to passive noise control. The first chapters are devoted to the review of analytical models to obtain the acoustic impedance and absorption coefficient of perforated panels. The use of panels perforated with circular holes or with slits is discussed. The theoretical models are presented and some modifications are proposed to improve the modeling of the physical phenomena occurring at the perforations of the panels. The absorption band is widened through the use of multiple layer microperforated panels and/or the combination of a millimetric panel with a porous layer that can be a fibrous material or a nylon mesh. A commercial micrometric mesh downstream a millimetric panel is proposed as a very efficient and low cost solution for controlling noise in reduced spaces. The simulated annealing algorithm is used in order to optimize the panel construction to provide a maximum of absorption in a determined wide band frequency range. Experiments are carried out at normal sound incidence and plane waves. One example is shown for a double layer microperforated panel subjected to grazing flow. A good agreement is achieved between the theory and the experiments. RESUMEN En esta tesis se investigan las propiedades acústicas de paneles micro perforados como una alternativa al control pasivo del ruido. Los primeros capítulos están dedicados a la revisión de los modelos de análisis para obtener la impedancia acústica y el coeficiente de absorción de los paneles perforados. El uso de paneles perforados con agujeros circulares o con ranuras es discutido. Se presentan diferentes modelos y se proponen algunas modificaciones para mejorar la modelización de los fenómenos físicos que ocurren en las perforaciones. La banda de absorción se ensancha a través del uso de capas múltiples de paneles micro perforados y/o la combinación de un panel de perforaciones milimétricas combinado con una capa porosa que puede ser un material fibroso o una malla de nylon. Se propone el uso de una malla micrométrica detrás de un panel milimétrico como una solución económica y eficiente para el control del ruido en espacios reducidos. El algoritmo de recocido simulado se utiliza con el fin de optimizar la construcción de paneles micro perforados para proporcionar un máximo de absorción en una banda determinada frecuencias. Los experimentos se llevan a cabo en la incidencia normal de sonido y ondas planas. Se muestra un ejemplo de panel micro perforado de doble capa sometido a flujo rasante. Se consigue un buen acuerdo entre la teoría y los experimentos.

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Efficient numerical methods for global linear instability. Analysis and modeling of non-orthogonal swept attachment-line boundary layer flow

The aim of this thesis is to study the mechanisms of instability that occur in swept wings when the angle of attack increases. For this, a simplified model for the a simplified model for the non-orthogonal swept leading edge boundary layer has been used as well as different numerical techniques in order to solve the linear stability problem that describes the behavior of perturbations superposed upon this base flow. Two different approaches, matrix-free and matrix forming methods, have been validated using direct numerical simulations with spectral resolution. In this way, flow instability in the non-orthogonal swept attachment-line boundary layer is addressed in a linear analysis framework via the solution of the pertinent global (Bi-Global) PDE-based eigenvalue problem. Subsequently, a simple extension of the extended G¨ortler-H¨ammerlin ODEbased polynomial model proposed by Theofilis, Fedorov, Obrist & Dallmann (2003) for orthogonal flow, which includes previous models as particular cases and recovers global instability analysis results, is presented for non-orthogonal flow. Direct numerical simulations have been used to verify the stability results and unravel the limits of validity of the basic flow model analyzed. The effect of the angle of attack, AoA, on the critical conditions of the non-orthogonal problem has been documented; an increase of the angle of attack, from AoA = 0 (orthogonal flow) up to values close to _/2 which make the assumptions under which the basic flow is derived questionable, is found to systematically destabilize the flow. The critical conditions of non-orthogonal flows at 0 _ AoA _ _/2 are shown to be recoverable from those of orthogonal flow, via a simple analytical transformation involving AoA. These results can help to understand the mechanisms of destabilization that occurs in the attachment line of wings at finite angles of attack. Studies taking into account variations of the pressure field in the basic flow or the extension to compressible flows are issues that remain open. El objetivo de esta tesis es estudiar los mecanismos de la inestabilidad que se producen en ciertos dispositivos aerodinámicos cuando se aumenta el ángulo de ataque. Para ello se ha utilizado un modelo simplificado del flujo de base, así como diferentes técnicas numéricas, con el fin de resolver el problema de estabilidad lineal asociado que describe el comportamiento de las perturbaciones. Estos métodos; sin y con formación de matriz, se han validado utilizando simulaciones numéricas directas con resolución espectral. De esta manera, la inestabilidad del flujo de capa límite laminar oblicuo entorno a la línea de estancamiento se aborda en un marco de análisis lineal por medio del método Bi-Global de resolución del problema de valores propios en derivadas parciales. Posteriormente se propone una extensión simple para el flujo no-ortogonal del modelo polinomial de ecuaciones diferenciales ordinarias, G¨ortler-H¨ammerlin extendido, propuesto por Theofilis et al. (2003) para el flujo ortogonal, que incluye los modelos previos como casos particulares y recupera los resultados del analisis global de estabilidad lineal. Se han realizado simulaciones directas con el fin de verificar los resultados del análisis de estabilidad así como para investigar los límites de validez del modelo de flujo base utilizado. En este trabajo se ha documentado el efecto del ángulo de ataque AoA en las condiciones críticas del problema no ortogonal obteniendo que el incremento del ángulo de ataque, de AoA = 0 (flujo ortogonal) hasta valores próximos a _/2, en el cual las hipótesis sobre las que se basa el flujo base dejan de ser válidas, tiende sistemáticamente a desestabilizar el flujo. Las condiciones críticas del caso no ortogonal 0 _ AoA _ _/2 pueden recuperarse a partir del caso ortogonal mediante el uso de una transformación analítica simple que implica el ángulo de ataque AoA. Estos resultados pueden ayudar a comprender los mecanismos de desestabilización que se producen en el borde de ataque de las alas de los aviones a ángulos de ataque finitos. Como tareas pendientes quedaría realizar estudios que tengan en cuenta variaciones del campo de presión en el flujo base así como la extensión de éste al caso de flujos compresibles.

Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics

The purpose of this investigation was the determination of the aerodynamic performance of sails and gain knowledge of the phenomena involved in order to improve the aerody¬namic characteristics. In this research, the airflow around different sails in four scenarios was studied. The method to analyze these scenarios was the combination of numerical simulations and experimental tests by taking advantage of the best of each tool. Two different Com¬putational Fluid Dynamic codes were utilized: the ANSYS-CFX and the CD-Adapco’s STAR-CCM+. The experimental tests were conducted in the Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel at the Universidad de Granada (Spain), the Twisted Flow Wind Tunnel at the University of Auckland (New Zealand) and the A9 Wind Tunnel at the Universidad Polit´ecnica de Madrid (Spain). Through this research, it was found the three-dimensional effect of the mast on the aerodynamic performance of an IMS Class boat. The pressure distribution on a Transpac 52 Class mainsail was also determined. Moreover, the aerodynamic perfor¬mance of the 43ft and 60ft Dhow Classes was obtained. Finally, a feasibility study was conducted to use a structural wing in combination with conventional propulsions systems. The main conclusion was that this research clarified gaps on the knowledge of the aerodynamic performance of sails. Moreover, since commercial codes were not specifically designed to study sails, a procedure was developed. On the other hand, innovative experimental techniques were used and applied to model-scale sails. The achievements of this thesis are promising and some of the results are already in use by the industry on a daily basis. El propósito de este estudio era determinar el comportamiento aerodinámico de unas velas y mejorar el conocimiento de los fenómenos que suceden para optimizar las características aerodinámicas de dichas velas. En esta investigación se estudió el flujo de aire alrededor de diferentes velas en cuatro escenarios. El método para analizar estos escenarios fue la combinación de simulaciones numéricas y ensayos experimentales mediante el aprovechamiento de las ventajas de cada herramienta. Se utilizaron dos códigos de dinámica de fluidos computacional: el ANSYS-CFX y el STAR-CCM+ de la empresa CD-Adapco. Los ensayos experimentales se desarrollaron en el túnel de viento de capa límite de la Universidad de Granada (España), el túnel de viento de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) y en el túnel A9 de la Universidad Politécnica de Madrid (España). Mediante esta investigación, se determinó el efecto tridimensional del mástil en un velero de la clase IMS. También se describió la distribución de presiones sobre una mayor de un Transpac 52. Además, se obtuvo el comportamiento aerodinámico de las clases 43ft y 60ft de los veleros Dhows. Finalmente, se llevó a cabo un estudio de viabilidad de la utilización de un ala estructural en combinación con sistemas de propulsión convencionales. La conclusión principal de esta investigación fue la capacidad de explicar ciertas lagunas en el conocimiento del comportamiento aerodinámico de las velas en diferentes escenarios. Además, dado que los códigos comerciales no están específicamente diseñados para el estudio de velas, se desarrolló un procedimiento a tal efecto. Por otro lado, se han utilizado innovadoras técnicas experimentales y se han aplicado a modelos de velas a escala. Los logros de esta investigación son prometedores y algunos de los resultados obtenidos ya están siendo utilizados por la industria en su día a día.

Revestimientos Continuos Interiores de Varias Capas con Características de Barrera de Vapor e Higroscopicidad

El trabajo realizado ha pretendido desarrollar y caracterizar una solución de revestimiento continuo interior con características de barrera de vapor e higroscopicidad. El objetivo ha sido desarrollar una solución de revestimiento continuo interior, capaz de reducir el riesgo de condensación intersticial en los cerramientos, manteniendo la capacidad de regulación de la humedad del ambiente interior. ESTUDIO DE ANTECEDENTES 1 La condensación intersticial La condensación intersticial se produce cuando la presión de vapor sobrepasa la presión de vapor de saturación en una de las capas internas del cerramiento. El vapor de agua se transfiere de los locales de mayor presión de vapor a los de menor presión. Para la situación de condensación intersticial, en la estación de calentamiento, las presiones de vapor son más elevadas en el interior del edificio que en el exterior. Entonces existe una transferencia de vapor del interior hacia el exterior y es en ese trayecto cuando pueden producirse las condensaciones intersticiales si éste alcanza la temperatura de rocío. Las consecuencias de la condensación intersticial pueden ser varias, desde la degradación de los materiales, como la corrosión de elementos metálicos; la pudrición de productos orgánicos naturales, como la madera, variaciones dimensionales de las fábricas de ladrillo con posibilidad de deformación del cerramiento y de fisuración de los revestimientos continuos. Pueden también producirse fenómenos de corrosión física provocados por la congelación del agua en los elementos porosos del cerramiento. Los revestimientos continuos pueden también estar sujetos a vegetaciones parasitarias por el exterior del cerramiento o de hongos por el interior, por transferencia del agua condensada a las superficies del cerramiento. Los hongos pueden provocar enfermedades principalmente respiratorias o alergias, al alterar la calidad del aire. La condensación intersticial se produce principalmente en situaciones de bajas temperaturas y elevados grados de humedad especifica exterior. Pero las condiciones de temperatura y principalmente de humedad especifica interior tienen también gran influencia en esta situación patológica. Las condiciones de humedad relativa interior dependen de muchos factores como el tipo y uso del edificio, y en caso de vivienda, del número de ocupantes, de las actividades que se desarrollan, pero esencialmente de la temperatura interior y del grado de ventilación. Las soluciones constructivas también tienen influencia en el riesgo de condensaciones. Las soluciones de cerramientos con aislamientos por el interior y con capas impermeables al vapor por el exterior son las más problemáticas. En esta solución constructiva extrema, tenemos prácticamente todo el cerramiento cerca de las temperaturas exteriores, con gran concentración de vapor de agua. El tipo de aislamiento también es importante, los aislamientos con gran desequilibrio higrotérmico, como las lanas minerales, de fibra de madera, o de fibras textiles, caracterizados por el elevado aislamiento y la elevada permeabilidad al vapor, son los que presentan mayor riesgo. Éstos permiten el paso del vapor y producen un salto acentuado de la temperatura. Su colocación por el interior de los cerramientos incrementa aún más el riesgo de condensaciones. Estos materiales de aislamiento también se caracterizan por tener una menor energía primaria asociada a su fabricación. Por lo tanto merecen una atención especial en la búsqueda de soluciones sostenibles. Así mismo, también puede existir riesgo de condensaciones con aquellos aislamientos de menor permeabilidad al vapor, como los poliméricos o las espumas de vidrio, pero deficientemente aplicados, permitiendo el paso del vapor de agua por las juntas o en los encuentros con forjados, pilares o huecos. La condensación de agua en los aislamientos caracterizados por una elevada permeabilidad al vapor es la situación más problemática porque, además de poder conducir a la pudrición de aislamientos de origen orgánico (como los de fibra de madera), conduce a una disminución del aislamiento del cerramiento y al consecuente incremento del consumo de energía en la obtención del confort térmico. Existen un conjunto de reglas y de soluciones constructivas que pueden reducir el riesgo de condensaciones intersticiales como la colocación de materiales sucesivamente más permeables al vapor, o más aislantes, del interior al exterior. XXXIII Revestimientos exteriores discontinuos y ventilados y aislamientos aplicados por el exterior es la solución extrema de este principio. La aplicación de aislamientos impermeables al vapor es otra solución, siendo necesario que se garantice que las juntas de las placas del aislamiento sean estancas, así como los encuentros con los forjados, pilares y huecos. Otra solución es la aplicación de cerramientos dobles con cámara de aire ventilada, teniendo el cuidado de ventilar solamente la parte fría del cerramiento. Es necesario en estas situaciones, que se garantice que el aislamiento se encuentra aplicado en la cara exterior del ladrillo interior del cerramiento. También es importante controlar el grado de ventilación de la cámara para que no se produzca la pérdida de la resistencia térmica de la hoja de ladrillo exterior. La aplicación de barreras de vapor en la parte caliente del cerramiento es una solución que garantiza la reducción del flujo del vapor del interior hacia el exterior y consecuentemente contribuye a la reducción de la presión de vapor en su lado exterior y en la parte fría del cerramiento. 2 La normativa La normativa española, el Código Técnico de la Edificación de 2006, en su capítulo Ahorro de Energía, establece que no está permitida en ninguna situación, la condensación en el aislamiento. Todavía existiendo condensaciones en otras capas del cerramiento, en la estación de calentamiento, éstas no pueden ser mayores que la evaporación en la estación de enfriamiento. La misma normativa determina que si existe una barrera de vapor en la parte caliente del cerramiento no será necesario comprobar las condiciones anteriores. La normativa portuguesa, el Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios, de 2006, no tiene ninguna exigencia relativa a las condensaciones intersticiales. Sus autores defienden que en Portugal no es un fenómeno que pueda tener consecuencias graves en los elementos constructivos o en el consumo de energía. En la norma EN 13788 de 2001 están definidos los métodos más comunes de verificación de las condensaciones y de la evaporación y están basados en el Diagrama de Glaser. En base a esta norma es posible verificar el riesgo de condensaciones superficiales y la posibilidad de desarrollo de hongos en la superficie interior del cerramiento. Pero también permite evaluar el riesgo de condensaciones debido a la difusión de vapor de agua. En este método se considera que el agua incorporada en la construcción ha secado, y es aplicable en situaciones en que sean insignificantes los fenómenos de alteración de conductividad térmica con la humedad, la liberación y absorción de calor, alteración de las propiedades de los materiales con la humedad, succión capilar y transferencia de humedad líquida en los materiales, circulación de aire a través de grietas, y la capacidad higroscópica en los materiales. Me resulta extraño que la misma norma establezca que el método no debe ser utilizado para la comprobación de la existencia de condensaciones, sino solamente como método comparativo de diferentes soluciones constructivas o condiciones ambientales. Más recientemente, con la norma EN 15026 de 2007, se ha introducido una alteración en el método de verificación. Mientras que en base a la norma 13788 la verificación se realiza en régimen estacionario, y solamente considerando algunas propiedades de los materiales como la resistencia térmica (R) y el coeficiente de resistencia a la difusión de vapor de agua (μ), la norma EN 15026, determina que se realice en régimen variable y que otros fenómenos físicos sean considerados. Con respecto a la temperatura, el almacenamiento de calor en materiales secos o húmedos, la transferencia de calor con la transmitancia térmica dependiente de la cantidad de agua presente en los materiales, transferencia de calor latente por difusión de vapor de agua con cambio de fase. Con respecto a la humedad, el almacenamiento de humedad por adsorción y desorción de vapor de agua y fuerzas capilares. Transporte de humedad por difusión de vapor de agua, transporte de agua líquida por difusión de superficie y conducción capilar. 3 Barreras de vapor Las barreras de vapor se caracterizan por una reducida permeancia al vapor, que de acuerdo con la normativa española NBE 79 es inferior a 0,1g /MNs o resistencia superior a 10 MNs/g. (o permeancia inferior a 1,152 g/mmHg, o resistencia al vapor mayor que 0,86 mmHg∙m2∙día /g). Esta permeancia al vapor corresponde a una capa de aire de difusión equivalente (Sd) de 215 cm o 2,15 metros. XXXV Todos los materiales pueden alcanzar estos valores de resistencia al vapor siempre que se utilicen con grandes espesores, pero los que más interesan son los que puedan tener esa característica con pequeños espesores. Existen otras clasificaciones, como la del CSTC de la Bélgica que divide los materiales de acuerdo a su permeancia al vapor. Están definidas 4 categorías de barreras de vapor E1, E2, E3, E4. La categoría E1 para los materiales con - Sd entre 2 y 5 metros, E2 – con Sd entre 5 y 25 metros y 3 - con Sd entre 25 y 200 metros y finalmente E4 para valores de Sd superiores a 200 metros. Estos materiales pueden ser de diferentes tipos, y con diferentes aplicaciones. Las pinturas al esmalte o emulsiones bituminosas, los films de polietileno o de aluminio, y las membranas de betún o vinílicas son algunos ejemplos de productos con estas características y que se utilizan con ese fin. Su aplicación puede realizarse en la superficie interior del cerramiento como las pinturas al esmalte o en la cámara de aire como los otros tipos mencionados anteriormente. En todo caso deben ser colocados en la parte caliente del cerramiento, por el interior del aislamiento. Las pinturas al esmalte, los barnices, o las membranas vinílicas, cuando son aplicados sobre el revestimiento interior, presentan el problema de quitar la capacidad higroscópica del revestimiento, sea de yeso, mortero de cemento o incluso de madera. Las emulsiones de betún o las membranas de betún son generalmente aplicadas en la cara exterior de la hoja interior del cerramiento, cuando existe cámara de aire, por lo que necesitan ser aplicadas por el exterior del edificio y obligan a que la ejecución de la hoja de ladrillo de fuera sea hecha también por el exterior, con las condiciones de seguridad y de costo asociadas. Los films de aluminio o de polietileno presentan problemas de aplicación como la garantía de estanquidad, por no ser continuos, y por que el sistema de fijación poder no garantizarla. Las soluciones que parecen garantizar una mejor estanquidad y menor costo son las aplicaciones de barreras de vapor continuas y aplicadas por el interior del cerramiento, como la pintura al esmalte. Sin embargo, como ya se ha comentado con anterioridad, pueden reducir la capacidad higroscópica de los cerramientos y la inercia higroscópica de las construcciones. 4 La importancia de la capacidad higroscópica El agua actúa como un pequeño imán y es atraída por varios materiales en estado líquido o gaseoso. Muchos materiales son capaces de contener moléculas de vapor de aire, llamándose este fenómeno adsorción y ocurre en los materiales llamados hidrófilos. La capacidad de los materiales de variar su contenido de humedad con la humedad relativa del aire se llama capacidad higroscópica. La capacidad higroscópica de los materiales de revestimiento es importante por permitir la adsorción y desadsorción de agua en estado de vapor y así permitir la regulación de la humedad del ambiente interior, adsorbiendo cuando la humedad relativa del aire es elevada y desorbiendo cuando la humedad relativa es baja. De acuerdo con los datos del Fraunhofer Institut y para valores de humedad por unidad de volumen (Kg/m3), el revestimiento de yeso no es el producto que presenta una mejor capacidad higroscópica, comparado por ejemplo con los revocos de cemento. Para valores de humedad relativa del 50%, el revestimiento de yeso presenta valores de contenido de humedad de 3,6 g/m3, el revoco de cemento 9,66 g/m3, y el revestimiento acrílico de acabado de 2,7 g/m3. Para una humedad relativa del 95% y por tanto aún en el rango higroscópico, los valores para los mismos morteros son de 19 g/m3, 113,19 g/m3 y 34,55 g/m3, respectivamente. Para una humedad relativa del 100% y por tanto en el rango por encima de la saturación capilar, en la saturación máxima, los valores son de 400 g/m3, 280 g/m3 y 100 g/m3 respectivamente. Solo para valores de humedad relativa del 100% es posible verificar un contenido de humedad del revestimiento de yeso superior al del revoco de cemento. La inercia higroscópica permite que las variaciones de la humedad relativa del aire en una habitación, tenga una atenuación de los picos diarios pudiendo contribuir para el confort y para la disminución de los costos energéticos a él asociados. Puede también XXXVII tener un efecto a largo plazo traducido en alteraciones de las medias mensuales en los meses de inicio y de fin de ciclos estacionales, de variación de la humedad relativa. Estos son los fundamentos que han llevado al desarrollo de soluciones de revestimientos continuos interiores con características de barrera de vapor e higroscopicidad. ESTUDIO EXPERIMENTAL El estudio experimental consta de dos partes: - permeabilidad al vapor e capacidad higroscópica de materiales y productos - adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor. 1- Materiales y métodos I. Permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de materiales y productos El desarrollo de esta solución de revestimiento ha comenzado por el estudio de las características de permeabilidad al vapor y de capacidad higroscópica de los materiales y productos utilizados en los revestimientos continuos de cerramientos. Los primeros ensayos han sido realizados en el periodo de docencia del Curso de Doctorado en la asignatura de Aplicaciones Actuales de Conglomerantes Tradicionales, del Profesor Luis de Villanueva Domínguez, y han permitido el primer contacto con los métodos de ensayos y el conocimiento de las normas aplicables. En el trabajo de investigación realizado en la asignatura, se ha ensayado la permeabilidad al vapor e la capacidad higroscópica de morteros de revestimiento, de conglomerantes tradicionales Los materiales y productos ensayados, en ese primer trabajo experimental, han sido, mortero de escayola y cal aérea, yeso de proyectar, mortero de cal aérea y arena, mortero de cal hidráulica y arena, mortero de cemento y arena, mortero de cemento y arena con aditivos impermeabilizantes y morteros impermeabilizantes a base de cemento. En el periodo de investigación del Curso de Doctorado han sido ensayados otros materiales y productos. También con la orientación del Catedrático Luis de Villanueva Domínguez se ha desarrollado el Trabajo Tutelado en el cual se han ensayado materiales y productos de revestimiento continuo de conglomerantes no tradicionales, yesos puros con adiciones naturales, yesos de proyectar con adiciones sintéticas y capas peliculares de diferente origen. De los productos de origen sintético se ha ensayado la permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de estucos acrílicos de relleno (Matesica), estucos acrílicos de acabado (Matesica), mortero sintético de relleno/acabado para exterior o interior (Matesica), mortero sintético de acabado para exterior (Weber), mortero epoxi de relleno y acabado para interior (Gobbetto), morteros de agarre (BASF y Matesica), mortero de reparación de cemento (Weber), mortero de reparación de yeso (Weber). Se ha ensayado también la permeabilidad al vapor de capas peliculares continuas de diferentes orígenes, como aceite de linaza hervido, cera de abeja diluida en esencia de trementina, emulsión bituminosa (Shell), emulsión bituminosa con polímero (BASF), imprimación epoxídica con cemento (BASF), pintura epoxídica (Matesica), pintura anticarbonatación (BASF), estuco Veneciano de cal (La Calce de la Brenta), estuco Veneciano sintético (Gobbetto) e impermeabilización líquida (Weber). Han sido ensayadas también la permeabilidad al vapor y la capacidad higroscópica de yesos puros (portugueses) sin adiciones y con aditivos naturales (cal aérea hidratada 1/1, cola de pescado y cola de conejo). Los yesos de proyectar han sido ensayados sin adiciones y con adiciones de látex SBR (BASF), acrílico (Weber) y epoxi (Matesica). II Adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor Como ya se ha dicho anteriormente, hasta una humedad relativa por debajo del 95%, el revestimiento de yeso tiene una capacidad higroscópica inferior al revoco de cemento y al revestimiento acrílico de acabado. Se ha elegido, de acuerdo con el profesor Luis de Villanueva Domínguez, este producto como capa higroscópica del esquema de revestimiento. Las cuestiones de tradición cultural, de abundancia de materia prima en la Península Ibérica, esencialmente en España, y los menores costos energéticos asociados a su fabricación, determinan el origen de esta decisión. Para la producción de 1 m3 de XXXIX cemento son necesarios 12600 MJ, mientras que para 1 m3 de yeso son necesarios solamente 2640 MJ. Pero el yeso presenta otras características mejores que los morteros de cemento, como la menor densidad, menor conductividad térmica y menor efusividad térmica. La mejor capacidad de absorción de agua en la fase líquida por capilaridad, que el mortero de cemento, es otra de las ventajas de los revestimientos de yeso que en situaciones de condensación superficial interior puede evitar el goteo. El paso siguiente ha sido ensayar la adherencia de un revestimiento predosificado de yeso a las capas que han presentado característica de barrera de vapor con espesores hasta 6 mm, así como en aquellas en que los fabricantes recomiendan menores espesores, como el mortero epoxi de relleno y acabado y el mortero sintético de acabado. Se ha utilizado un revestimiento de yeso predosificado de aplicación manual, portugués. La elección de un producto de aplicación manual se ha debido a la dificultad de obtener la aplicación por proyección en el local donde se han hecho las muestras, el taller de la Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa. Se ha aplicado con espesor de 2 cm sobre las capas de aceite de linaza hervido, emulsión de bituminosa, imprimación epoxídica con cemento, pintura epoxídica, impermeabilización líquida, mortero epoxi de relleno y acabado, mortero sintético de acabado. Verificando que ninguno de los materiales que han presentado características de barrera de vapor hasta espesores de 0,6 mm proporcionaban una adherencia al revestimiento de yeso capaz de garantizar el cumplimento de todas las exigencias, se ha decidido elegir los materiales impermeables al vapor más finos y con diferentes orígenes para desarrollar los estudios de mejora de la adherencia. Ha sido necesario desarrollar un conjunto de experimentos con el objetivo de incrementar la adherencia del revestimiento de yeso a estos soportes no absorbentes. La adherencia de los revestimientos continuos de conglomerantes tradicionales, como el yeso sobre soportes absorbentes, se basa en una adherencia mecánica. En este caso los cristales de yeso se van a formar dentro de la red capilar del ladrillo cerámico o del hormigón. Aplicando una barrera de vapor sobre ellos, se elimina esta posibilidad por aplicarse una barrera entre la estructura porosa del soporte (ladrillo u hormigón) y el revestimiento de yeso. Se tiene que producir otro tipo de adherencia, la adherencia química. Esta adherencia se basa en los enlaces químicos, de tipo secundario, como los puentes de hidrógeno o las fuerzas bipolares de Van der Waals. Aunque este tipo de adherencia es menor que la que se produce sobre soportes absorbentes, puede alcanzar valores considerables. Los materiales impermeables al vapor elegidos han sido el aceite de linaza hervido, la emulsión bituminosa y la imprimación epoxi con cemento. A estos materiales de origen natural, artificial e sintético, han sido aplicadas capas intermedias de arena de sílice, mortero de cemento y arena, mortero de agarre y un puente de adherencia de acuerdo con las recomendaciones de Eurogypsum. La capa de arena ha sido aplicada con la última mano aún fresca, mientras que las otras capas intermedias han sido aplicadas con las capas impermeables al vapor ya secas. Las capas intermedias aplicadas han sido: - al aceite de linaza hervido - arena de sílice y puente de adherencia. - a la emulsión bituminosa - arena de sílice, mortero de cemento y arena 1:1 y puente de adherencia - a la capa de imprimación epoxídica con cemento - arena de sílice, mortero de agarre y puente de adherencia. El revestimiento de yeso utilizado ha sido un yeso predosificado de aplicación manual, de origen español, y se ha aplicado con un espesor de 2 centímetros. Para la capa intermedia de puente de adherencia y siguiendo la recomendación del fabricante, se ha añadido un látex de SBR (con relación látex/agua de 1/2) al revestimiento de yeso. Otra experimentación realizada ha sido la adición del látex SBR al revestimiento de yeso y su aplicación directamente sobre cada una de las capas impermeables al vapor, y a cada una de las capas intermedias aplicadas sobre las capas impermeables al vapor. XLI La aplicación del látex en las proporciones de 1/2, de relación látex/agua, puede cambiar algunas propiedades del revestimiento de yeso en pasta, en relación a su aplicación, o tiempo de inicio o fin de fraguado, e incluso tener influencia en el costo final del revestimiento. Puesto que la adherencia del revestimiento de yeso con adición del látex a la capa intermedia de puente de adherencia ha sido muy superior a las exigencias más estrictas, se ha realizado un ensayo, pero sin la adición del látex. Este ensayo se ha realizado aplicando el revestimiento de yeso sobre las capas de puente de adherencia anteriormente aplicadas sobre las capas impermeables al vapor, descritas con anterioridad. Se ha aplicado ahora un revestimiento de yeso predosificado también de aplicación manual, pero de origen portugués. Para garantizar el cumplimiento integral de la exigencia de adherencia de 0,5 MPa, se ha hecho otro ensayo con una menor adición de látex de SBR al yeso predosificado. Se ha aplicado el látex con una relación látex/agua de 1/3 y 1/4. 2 Resultados y discusión I. Permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de materiales y productos En el primer ensayo de permeabilidad al vapor se concluyó que ninguno de los productos ensayados puede constituir barrera de vapor en espesores hasta 2 cm. y que lo que ha presentado mayor resistividad al vapor ha sido el mortero impermeabilizante de capa fina. Tendría que tener un espesor próximo a los 14,12 cm para poder constituir barrera de vapor. En los ensayos de capacidad higroscópica, realizados solamente para humedades relativas del 50% y 95% a temperaturas de 23ºC, el mortero de escayola y cal aérea y el yeso de proyectar han presentado una capacidad higroscópica bastante elevada, pero como el secado ha sido realizado a 100º C (lo que no es la temperatura adecuada para los productos a base de yeso por poder éstos sufrir una deshidratación y un cambio en su constitución) los resultados no pueden ser considerados. El mortero de impermeabilización de capa fina también ha presentado una buena capacidad higroscópica, mejor que el mortero de cemento y arena, y éste mejor que el mortero de cal hidráulica y arena, y éste mejor que el mortero de cal aérea y arena. La adición de aditivos impermeabilizantes no ha cambiado significativamente esta característica. Como resultado de los segundos ensayos se ha concluido que existen diferentes materiales y productos que pueden constituir barrera de vapor con diferentes espesores. Los productos estuco acrílico de relleno, estuco sintético de acabado, mortero sintético de acabado para exterior, mortero epoxi de relleno y acabado, han presentado características de barrera de vapor con espesores hasta 2 cm, sin embargo, son espesores superiores a los recomendados por los fabricantes de los productos. De los productos peliculares, han constituido barrera de vapor, el aceite de linaza hervido (con valores muy próximos), la emulsión bituminosa sin polímero, la imprimación epoxídica con cemento, la pintura epoxídica y la impermeabilización líquida. Todos los demás productos ensayados no han presentado esa característica cuando aplicados en tres manos. Los yesos puros con adiciones naturales y los yesos de proyectar con adiciones sintéticas no han presentado características de barrera de vapor en espesores hasta dos centímetros. El mejor resultado ha sido el del yeso puro con adición de cola de pescado, que ha presentado característica de barrera de vapor con espesor de 16,32 cm. En cuanto a la capacidad higroscópica de los materiales y productos, el ensayo ha sido repetido recientemente con las mismas muestras, porque en el ensayo realizado para el Trabajo Tutelado no fue posible una correcta caracterización. En ese ensayo solo se han obtenido los valores de capacidad higroscópica para valores de humedad del 50 % ± 3 a temperatura de 23 ºC ± 2 por no disponerse de los medios necesarios para un estudio más completo. En el ensayo realizado recientemente en el Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Portugal (LNEC), se ha utilizado una cámara climática, con control de temperatura y humedad relativa, y se han obtenido los valores de capacidad higroscópica para valores de humedad relativa del 25%, 50%, 75% y 95% a temperatura constante de 23º C. XLIII En ese último ensayo se ha verificado que para humedades relativas del 50 %, los yesos predosificados de aplicación manual, portugueses y españoles, tienen diferentes capacidades higroscópicas. Los yesos españoles han presentado una capacidad higroscópica de 0,2 % y el portugués de 0,05 %. La adición de látex de SRB no ha reducido la capacidad higroscópica del yeso predosificado español. Los valores se han mantenido próximos para las relaciones látex/agua de 1/4, 1/3 y 1/2, con 0,2 %. Para valores de capacidad higroscópica por volumen se ha verificado que la adición de látex incrementa la capacidad higroscópica, estableciéndose que los valores para el yeso español sin látex han sido de 2,2 g/dm3 y para los yesos con adición de látex han sido de cerca de 2,5 g/dm3. Para este valor de humedad relativa otros productos han presentado mayor capacidad higroscópica, como el yeso puro con cola de pescado con 5,1 g/dm3.Para morteros ensayados con espesores de 0,6 cm, el mortero de reparación de yeso ha presentado un valor de capacidad higroscópica de 4,1 g/dm3 y el mortero de agarre (BASF) ha presentado el valor de 4,6 g/dm3. Para valores de humedad relativa del 95 %, la capacidad higroscópica presentada por el yeso predosificado español ha sido de 1 % y por el portugués ha sido de 0,27 %. La adición de látex tampoco aquí ha alterado la capacidad higroscópica. Las pequeñas diferencia registradas pueden deberse al diferente tiempo en que se han realizado los pesajes, por existir ya mucha agua libre. Para valores de capacidad higroscópica por volumen se ha verificado que la adición de látex incrementa la capacidad higroscópica, estableciéndose que los valores para el yeso español sin látex han sido de 10,6 g/dm3 y para los yesos con adición de látex han sido de cerca de 11,60 g/dm3 para látex/agua de 1/4, 13,77 g/dm3 para látex/agua de 1/3 y 12,20 g/dm3 para látex/agua de 1/2. Para este valor de humedad relativa, otros productos han presentado mayor capacidad higroscópica, y superiores al yeso predosificado de aplicación manual español. El yeso predosificado de proyectar con adición de látex acrílico (Weber), con 14,1 g/dm3, el yeso puro con cola de pescado con 17,8 g/dm3, el yeso puro cal aérea hidratada con 18,3 g/dm3. Para los morteros ensayados con espesores de 0,6 cm, el mortero de agarre Matesica con valor 17,7 g/dm3, el mortero de reparación de yeso con valores de 31,2 g/dm3 y el mortero de agarre BASF con valores de 48,8 g/dm3. Este ultimo valor debería ser verificado por haberse podido producir un error en la cantidad de agua suministrada. XLIV II Adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor Realizado el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado aplicado sobre las capas que han constituido barrera de vapor con espesor hasta 6 mm, se ha verificado que los valores requeridos por la norma europea EN 13279 de 2005, con valores de adherencia ≥ 0,1 MPa o rotura cohesiva por el soporte, solo no han sido satisfechos por la pintura epoxídica y por el revestimiento sintético de acabado. Todavía los valores de adherencia no han alcanzado los valores exigidos por las exigencias complementarias del Laboratório Nacional de Engenharia de Portugal (LNEC) o las exigencias españolas. Las exigencias del LNEC, determinan una adherencia ≥ 0,5 MPa, o una ruptura cohesiva. Las exigencias españolas determinan que la adherencia debe ser determinada por la rotura del revestimiento. La solución de revestimiento que mejor resultado ha presentado ha sido la del revestimiento predosificado de yeso aplicado sobre la capa de aceite de linaza hervido, con una adherencia de 0,324 MPa. También se ha ensayado la aplicación de una capa intermedia de mortero de agarre entre las capas impermeables al vapor de imprimación epoxídica y pintura epoxídica. Los resultados obtenidos han sido de 0,21 MPa y de 0,25 MPa respectivamente. De los valores obtenidos en el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado a las capas peliculares elegidas que han constituido barrera de vapor cuando aplicadas en tres manos, solo algunas de las soluciones con adición de látex al yeso han cumplido las exigencias más estrictas. Éstas han sido las capas impermeables al vapor constituidas por emulsión bituminosa e imprimación epoxi con cemento. Las capas intermedias de arena de sílice sobre la emulsión bituminosa y sobre la imprimación epoxi también han cumplido. Las capas intermedias de mortero de cemento sobre emulsión bituminosa, y mortero de agarre sobre imprimación epoxi con cemento también han cumplido. El puente de adherencia sobre emulsión bituminosa e imprimación epoxídica con cemento, han presentado valores muy elevados de adherencia del revestimiento de XLV yeso. Los valores obtenidos han sido tres veces superiores a las exigencias más estrictas. Los valores obtenidos en el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado sobre el puente adherencia aplicado sobre las capas peliculares impermeables al vapor han sido muy cercanos a la exigencia del Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Portugal. Presentan una media de 0,456 MPa. Los valores más bajos han sido para la solución de capa impermeable al vapor constituida por aceite de linaza hervido, con el valor de 0,418 MPa. El valor más elevado ha sido para la solución de capa impermeable al vapor constituida por imprimación epoxídica con cemento, con el valor de adherencia de 0,484 MPa. Los valores obtenidos con las capas impermeables al vapor constituidas por aceite de linaza hervido han presentado roturas siempre adhesivas, o en su capa, pero con valores muy diferentes. Los valores de mayor adherencia se han producido con las capas de aceite con mayor tiempo de secado. En el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado con adición de látex con relación agua/látex de 1/3 y 1/4, aplicado sobre el puente de adherencia, aplicado sobre la capa de imprimación epoxi se ha verificado que la solución con relación látex/agua de 1/4 ha superado la exigencia de 0,5 MPa en un 50 %. Esto resultado quiere decir que es posible aplicar una relación de látex/agua aún inferior. PRINCIPALES CONCLUSIONES Como principales conclusiones del estudio experimental podemos decir que es posible obtener un revestimiento continuo interior impermeable al vapor e higroscópico. Se pueden obtener con capas impermeables al vapor de aceite de linaza hervido (debidamente seco), emulsión bituminosa o con imprimación epoxídica con cemento, aplicadas directamente sobre el ladrillo. Como capa higroscópica se puede aplicar un revestimiento de yeso predosificado, no obstante sea menos higroscópico que un revestimiento de mortero de cemento y arena (hasta humedades relativas del 95%). La adherencia entre la capa impermeable al vapor y el revestimiento de yeso predosificado, puede conseguirse con un puente de adherencia entre las dos capas anteriormente descritas. Si la adherencia del yeso no fuera capaz de cumplir las exigencias más estrictas (0,5 MPa) puede añadirse un látex de SBR al yeso en una relación de látex agua de 1/4. Esa adición permite una adherencia un 50 % superior a las exigencias más estrictas, por lo que se pueden ensayar relaciones aún menores de L/A. Estas adiciones no restan capacidad higroscópica al revestimiento, pudiendo incluso incrementarla (para humedades relativas del 25% al 95%) con beneficio para la inercia higroscópica del edificio donde fuese aplicado. Con respecto a la influencia de la solución de revestimiento propuesta en el riesgo de condensaciones intersticiales, se puede decir que no ha sido posible observar una diferencia significativa en las simulaciones realizadas, entre la aplicación del revestimiento y su no aplicación. Las simulaciones han sido realizadas con la aplicación informática Wufi 5 Pro, que respeta la normativa más reciente relativa a las condensaciones intersticiales. Comparando con la solución tradicional de aplicación de barrera de vapor en la cámara de aire, tampoco se han verificado grandes diferencias. Cabe destacar que esta solución tradicional no ha presentado diferencias en relación a la no aplicación de barrera de vapor. Estas simulaciones contradicen lo comúnmente establecido hasta ahora, que es considerar que la aplicación de barreras de vapor en la parte caliente del cerramiento reduce considerablemente el riesgo de condensaciones intersticiales. Estas simulaciones han sido realizadas considerando que la fracción de lluvia adherida al cerramiento seria la correspondiente a la solución constructiva y a su inclinación. En la definición del componente pared del cerramiento no existe la posibilidad de colocar la capa de pintura exterior. Considerando la hipótesis de que con la capa de pintura exterior, no existe absorción de agua de lluvia, en esta solución constructiva, los valores obtenidos han cambiado considerablemente. El contenido total de agua en el elemento ha sido menor en la solución con barrera de vapor en el revestimiento (pico máximo de 1 Kg/m2), seguido de la solución de barrera de vapor en la cámara de aire (pico máximo de 1,4 Kg/m2) y esto menor que la solución sin barrera de vapor (pico máximo de 1,8 Kg/m2). El contenido de agua en la lana de roca también ha sido menor en la solución con barrera de vapor en el revestimiento interior (pico máximo de 1,15 %), seguido de la solución con barrera de vapor en la cámara de aire (pico máximo de 1,5 %). y esto menor que la solución sin barrera de vapor (pico máximo de 1,62 %).

Inmovilización de TiO2 sobre polímeros transparentes en el UV-A para la eliminación fotocatalítica de tricloroetileno en aire

El gran desarrollo industrial y demográfico de las últimas décadas ha dado lugar a un consumo crecientemente insostenible de energía y materias primas, que influye negativamente en el ambiente por la gran cantidad de contaminantes generados. Entre las emisiones tienen gran importancia los compuestos orgánicos volátiles (COV), y entre ellos los compuestos halogenados como el tricloroetileno, debido a su elevada toxicidad y resistencia a la degradación. Las tecnologías generalmente empleadas para la degradación de estos compuestos presentan inconvenientes derivados de la generación de productos tóxicos intermedios o su elevado coste. Dentro de los procesos avanzados de oxidación (Advanced Oxidation Processes AOP), la fotocatálisis resulta una técnica atractiva e innovadora de interés creciente en su aplicación para la eliminación de multitud de compuestos orgánicos e inorgánicos, y se ha revelado como una tecnología efectiva en la eliminación de compuestos orgánicos volátiles clorados como el tricloroetileno. Además, al poder aprovechar la luz solar como fuente de radiación UV permite una reducción significativa de costes energéticos y de operación. Los semiconductores más adecuados para su empleo como fotocatalizadores con aprovechamiento de la luz solar son aquellos que tienen una banda de energía comparable a la de los fotones de luz visible o, en su defecto, de luz ultravioleta A (Eg < 3,5 eV), siendo el más empleado el dióxido de titanio (TiO2). El objetivo principal de este trabajo es el estudio de polímeros orgánicos comerciales como soporte para el TiO2 en fotocatálisis heterogénea y su ensayo para la eliminación de tricloroetileno en aire. Para ello, se han evaluado sus propiedades ópticas y su resistencia a la fotodegradación, y se ha optimizado la fijación del fotocatalizador para conseguir un recubrimiento homogéneo, duradero y con elevada actividad fotocatalítica en diversas condiciones de operación. Los materiales plásticos ensayados fueron el polietileno (PE), copolímero de etil vinil acetato con distintos aditivos (EVA, EVA-H y EVA-SH), polipropileno (PP), polimetil (metacrilato) fabricado en colada y extrusión (PMMA-C y PMMA-E), policarbonato compacto y celular (PC-C y PC-Ce), polivinilo rígido y flexible (PVC-R y PVC-F), poliestireno (PS) y poliésteres (PET y PETG). En base a sus propiedades ópticas se seleccionaron el PP, PS, PMMA-C, EVA-SH y PVC-R, los cuales mostraron un valor de transmitancia superior al 80% en el entorno de la región estudiada (λ=365nm). Para la síntesis del fotocatalizador se empleó la tecnología sol-gel y la impregnación multicapa de los polímeros seleccionados por el método de dip-coating con secado intermedio a temperaturas moderadas. Con el fin de evaluar el envejecimiento de los polímeros bajo la radiación UV, y el efecto sobre éste del recubrimiento fotoactivo, se realizó un estudio en una cámara de exposición a la luz solar durante 150 días, evaluándose la resistencia química y la resistencia mecánica. Los resultados de espectroscopía infrarroja y del test de tracción tras el envejecimiento revelaron una mayor resistencia del PMMA y una degradación mayor en el PS, PVC-R y EVA SH, con una apreciable pérdida del recubrimiento en todos los polímeros. Los fotocatalizadores preparados sobre soportes sin tratamiento y con tres capas de óxido de titanio mostraron mejores resultados de actividad con PMMA-C, PET y PS, con buenos resultados de mineralización. Para conseguir una mayor y mejor fijación de la película al soporte se realizaron tratamientos químicos abrasivos con H2SO4 y NaOH y tratamientos de funcionalización superficial por tecnología de plasma a presión atmosférica (APP) y a baja presión (LPP). Con los tratamientos de plasma se consiguió una excelente mojabilidad de los soportes, que dio lugar a una distribución uniforme y más abundante del fotocatalizador, mientras que con los tratamientos químicos no se obtuvo una mejora significativa. Asimismo, se prepararon fotocatalizadores con una capa previa de dióxido de silicio con la intervención de surfactantes (PDDA-SiO2-3TiO2 y SiO2FC-3TiO2), consiguiéndose buenas propiedades de la película en todos los casos. Los mejores resultados de actividad con tratamiento LPP y tres capas de TiO2 se lograron con PMMA-C (91% de conversión a 30 ppm de TCE y caudal 200 ml·min-1) mejorando significativamente también la actividad fotocatalítica en PVC-R y PS. Sin embargo, el material más activo de todos los ensayados fue el PMMA-C con el recubrimiento SiO2FC-3TiO2, logrando el mejor grado de mineralización, del 45%, y una velocidad de 1,89 x 10-6 mol· m-2 · s-1, que dio lugar a la eliminación del 100 % del tricloroetileno en las condiciones anteriormente descritas. A modo comparativo se realizaron ensayos de actividad con otro contaminante orgánico tipo, el formaldehído, cuya degradación fotocatalítica fue también excelente (100% de conversión y 80% de mineralización con 24 ppm de HCHO en un caudal de aire seco de 200 ml·min-1). Los buenos resultados de actividad obtenidos confirman las enormes posibilidades que ofrecen los polímeros transparentes en el UV-A como soportes del dióxido de titanio para la eliminación fotocatalítica de contaminantes en aire. ABSTRACT The great industrial and demographic development of recent decades has led to an unsustainable increase of energy and raw materials consumption that negatively affects the environment due to the large amount of waste and pollutants generated. Between emissions generated organic compounds (VOCs), specially the halogenated ones such as trichloroethylene, are particularly important due to its high toxicity and resistance to degradation. The technologies generally used for the degradation of these compounds have serious inconveniences due to the generation of toxic intermediates turn creating the problem of disposal besides the high cost. Among the advanced oxidation processes (AOP), photocatalysis is an attractive and innovative technique with growing interest in its application for the removal of many organic and inorganic compounds, and has emerged as an effective technology in eliminating chlorinated organic compounds such as trichloroethylene. In addition, as it allows the use of sunlight as a source of UV radiation there is a significant reduction of energy costs and operation. Semiconductors suitable to be used as photocatalyst activated by sunlight are those having an energy band comparable to that of the visible or UV-A light (Eg <3,5 eV), being titanium dioxide (TiO2), the most widely used. The main objective of this study is the test of commercial organic polymers as supports for TiO2 to be applied in heterogeneous photocatalysis and its assay for removing trichloroethylene in air. To accomplish that, its optical properties and resistance to photooxidation have been evaluated, and different operating conditions have been tested in order to optimize the fixation of the photocatalyst to obtain a homogeneous coating, with durable and high photocatalytic activity. The plastic materials tested were: polyethylene (PE), ethyl vinyl acetace copolymers with different additives (EVA, EVA-H and EVA -SH), polypropylene (PP), poly methyl (methacrylate) manufactured by sheet moulding and extrusion (PMMA-C and PMMA-E), compact and cellular polycarbonates (PC-C PC-Ce), rigid and flexible polyvinyl chloride (PVC-R and PVC-F), polystyrene (PS) and polyesters (PET and PETG). On the basis of their optical properties PP, PS, PMMA-C, EVA-SH and PVC-R were selected, as they showed a transmittance value greater than 80% in the range of the studied region (λ = 365nm). For the synthesis of the photocatalyst sol-gel technology was employed with multilayers impregnation of the polymers selected by dip-coating, with intermediate TiO2 drying at moderate temperatures. To evaluate the polymers aging due to UV radiation, and the effect of photoactive coating thereon, a study in an sunlight exposure chamber for 150 days was performed, evaluating the chemical resistance and the mechanical strength. The results of infrared spectroscopy and tensile stress test after aging showed the PMMA is the most resistant sample, but a greater degradation in PS, PVC-R and EVA SH, with a visible loss of the coating in all the polymers tested. The photocatalysts prepared on the untreated substrates with three layers of TiO2 showed better activity results when PMMA-C, PET and PS where used. To achieve greater and better fixation of the film to the support, chemical abrasive treatments, with H2SO4 and NaOH, as well as surface functionalization treatments with atmospheric pressure plasma (APP) and low pressure plasma (LPP) technologies were performed. The plasma treatment showed the best results, with an excellent wettability of the substrates that lead to a better and uniform distribution of the photocatalyst compared to the chemical treatments tested, in which no significant improvement was obtained. Also photocatalysts were prepared with the a silicon dioxide previous layer with the help of surfactants (SiO2- 3TiO2 PDDA-and-3TiO2 SiO2FC), obtaining good properties of the film in all cases. The best activity results for LPP-treated samples with three layers of TiO2 were achieved with PMMA-C (91% conversion, in conditions of 30 ppm of TCE and 200 ml·min-1 air flow rate), with a significant improvement of the photocatalytic activity in PVC-R and PS samples too. However, among all the materials assayed, PMMA-C with SiO2FC-3TiO2 coating was the most active one, achieving the highest mineralization grade (45%) and a reaction rate of 1,89 x 10-6 mol· m-2 · s-1, with total trichloroethylene elimination in the same conditions. As a comparative assay, an activity test was also performed with another typical organic contaminant, formaldehyde, also with good results (100% conversion with 24 ppm of HCHO and 200 ml·min-1 gas flow rate). The good activity results obtained in this study confirm the great potential of organic polymers which are transparent in the UV-A as supports for titanium dioxide for photocatalytic removal of air organic pollutants.

Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.

Recuperación secundaria en campos de petróleo y su conversión en almacenamientos subterráneos de gas natural

El objetivo de este proyecto es estudiar la recuperación secundaria de petróleo de la capa sureste Ayoluengo del campo Ayoluengo, Burgos (España), y su conversión en un almacenamiento subterráneo de gas. La capa Ayoluengo se ha considerado como una capa inclinada de 60 km por 10 km de superficie por 30 m de espesor en el que se han perforado 20 pozos, y en donde la recuperación primaria ha sido de un 19%. Se ha realizado el ajuste histórico de la recuperación primaria de gas, petróleo y agua de la capa desde el año 1965 al 2011. La conversión a almacenamiento subterráneo de gas se ha realizado mediante ciclos de inyección de gas, de marzo a octubre, y extracción de gas, de noviembre a febrero, de forma que se incrementa la presión del campo hasta alcanzar la presión inicial. El gas se ha inyectado y extraído por 5 pozos situados en la zona superior de la capa. Al mismo tiempo, se ha realizado una recuperación secundaria debido a la inyección de gas natural de 20 años de duración en donde la producción de petróleo se realiza por 14 pozos situados en la parte inferior de la capa. Para proceder a la simulación del ajuste histórico, conversión en almacenamiento y recuperación secundaria se utilizó el simulador Eclipse100. Los resultados obtenidos fueron una recuperación secundaria de petróleo de un 9% más comparada con la primaria. En cuanto al almacenamiento de gas natural, se alcanzó la presión inicial consiguiendo un gas útil de 300 Mm3 y un gas colchón de 217,3 Mm3. ABSTRACT The aim of this project is to study the secondary recovery of oil from the southeast Ayoluengo layer at the oil field Ayoluengo, Burgos (Spain), and its conversion into an underground gas storage. The Ayoluengo layer is an inclined layer of 60 km by 10km of area by 30 m gross and with 20 wells, which its primary recovery is of 19%. The history matching of the production of oil, gas and water has been carried out from the year 1965 until 2011. The conversion into an underground gas storage has been done in cycles of gas injection from March to October, and gas extraction from November to February, so that the reservoir pressure increases until it gets to the initial pressure. The gas has been injected and extracted through five well situated in the top part of the layer. At the same time, the secondary recovery has occurred due to de injection of natural gas during 20 years where the production of oil has been done through 14 wells situated in the lowest part of the layer. To proceed to the simulation of the history match, the conversion into an underground gas storage and its secondary recovery, the simulator used was Eclipse100. The results were a secondary recovery of oil of 9% more, compared to the primary recovery and concerning the underground gas storage, the initial reservoir pressure was achieved with a working gas of 300 Mm3 and a cushion gas of 217,3 Mm3.

Estructuras espaciales desmontables y desplegables. Estudio de la obra del arquitecto Emilio Pérez Pinero.

La presente tesis estudia las realizaciones del arquitecto Emilio Pérez Pinero, todas dentro de las estructuras espaciales de barras desmontables y desplegables, elabora la documentación que hace transmisible su investigación y generaliza el estudio del comportamiento en la parcela de las desplegables. La obra de este arquitecto forma un conjunto original, atractivo y sin continuadores, y por otra parte, no abundan las" investigaciones sobre este tipo de estructuras ( mucho menos las realizaciones), en las que hay que resolver tanto su definición como su movilidad y comportamiento estructural. El contenido de la parte correspondiente a las estructuras desmontables se limita a las cúpulas reticuladas de una capa, con el sistema de reticulado y montaje ideado por Pinero, por considerar que se debe documentar su aportación pero no incidir mas en un campo de investigación que cuenta con abundantes estudios. Se aporta la solución matemática y un programa de ordenador para la definición geométrica completa del reticulado empleado. Las estructuras desplegables se caracterizan por el empleo de barras dispuestas en "x" en el espesor de la estructura, con generación de superficies tanto planas como curvas. En ambos casos se analiza la movilidad en fase de mecanismo, tanto a las soluciones de Pinero como a las complementarlas que se exponen. Se estudian las relaciones geométricas que deben de cumplirse para que sea posible el movimiento de las barras, relaciones particularmente complejas en las desplegables según superficies esféricas, y que determinan su definición geométrica. En la fase de estructura, además de analizar lo realizado por Pinero, documentando y definiendo sus componentes, se proponen varias estructuras posibles para cada mecanismo, y se desarrolla en detalle el tipo de los emparrillados de canto constante, donde se incluye un estudio comparativo de nueve variantes distintas. Se muestra el amplio campo de uso posible para estas estructuras. ABSTRACT The • present doctoral dissertation studies the work of de spanish architect Emilio Pérez Pinero, all of it within de field of spatial demountable and deployable structures. This contribution compiles the necessary documentation for research in this field and, besides, generalizes the theoretical background for the analysis of this type of structures. Pérez Pinero's contributions are original and attractive, but, so far, he has not any followers ; on the other hand research in this field is scarce (much less actual realizations). In the part corresponding to demountable structures the research is limited to reticulated domes of only one layer, following Pérez Pinero's sys~ tem, trying to give a comprehensive documentation of it. The mathematical solution is given and so is a computer program for the complete definition of the geometry of the structure. One characteristic of deployable structures is the use of struts placed - formix "X" in the thickness of the structure, making possible the generation of plañe as well as curved surfaces. In both cases, the operation in the phase of mechanism is studied, both fot Pinero's solution and for the other schemes presented. The geometrical relationships that must be maintained in order to guarantee strut's movements, are studied; these relationships are particularly complex in the case of spherical surfaces, and, in this last casey determine completely its geometrical definition. In regard of the structure behaviour, besides analysing Pinero's works, a variety of solutions are proposed for each mechanism. Particularly, the configuration for double layer grids of constant thickness is developed with great detall, and a comparative study of nine different solutions of this special case is included. A wide range of the possible applications of this structural type is shown.

Evaluación del comportamiento frente a la corrosión de estructuras de hormigón armado fabricadas con acero inoxidable dúplex AISI 2001

En este trabajo se ha evaluado la resistencia a la corrosión por cloruros de un nuevo acero inoxidable dúplex de bajo contenido en níquel, el AISI 2001. Se han utilizado técnicas electroquímicas, monitorizando el potencial de corrosión y la resistencia de polarización (LPR) mediante técnicas de corriente continua y medidas de corriente alterna mediante espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). Los ensayos muestran un excelente comportamiento en presencia de elevados contenidos de cloruro del nuevo acero dúplex. Se ha caracterizado la composición de la capa pasiva del acero inoxidable mediante XPS.

Ultra high frequency thin film saw devices

Durante los últimos años el flujo de datos en la transmisión que tiene lugar en los sistemas de comunicación ha aumentado considerablemente de forma que día a día se requieren más aplicaciones trabajando en un rango de frecuencias muy alto (3-30 GHz). Muchos de estos sistemas de comunicación incluyen dispositivos de onda acústica superficial (SAW) y por tanto se hace necesario el aumento de frecuencia a la que éstos trabajan. Pero este incremento de frecuencia de los dispositivos SAW no sólo es utilizado en los sistemas de comunicación, varios tipos de sensores, por ejemplo, aumentan su sensibilidad cuando la frecuencia a la que trabajan también lo hace. Tradicionalmente los dispositivos SAW se han fabricado sobre cuarzo, LiNbO3 y LiTaO3 principalmente. Sin embargo la principal limitación de estos materiales es su velocidad SAW. Además, debido a la alta temperatura a la que se depositan no pueden ser integrados en la tecnología de fabricación CMOS. El uso de la tecnología de capa delgada, en la que un material piezoeléctrico es depositado sobre un substrato, se está utilizando en las últimas décadas para incrementar la velocidad SAW de la estructura y poder obtener dispositivos trabajando en el rango de frecuencias requerido en la actualidad. Por otra parte, esta tecnología podría ser integrada en el proceso de fabricación CMOS. Durante esta tesis nos hemos centrado en la fabricación de dispositivos SAW trabajando a muy alta frecuencia. Para ello, utilizando la tecnología de capa delgada, hemos utilizado la estructura nitruro de aluminio (AlN) sobre diamante que permite conseguir velocidades SAW del sustrato que no se pueden alcanzar con otros materiales. El depósito de AlN se realizó mediante sputtering reactivo. Durante esta tesis se han realizado diferentes experimentos para optimizar dicho depósito de forma que se han obtenido los parámetros óptimos para los cuales se pueden obtener capas de AlN de alta calidad sobre cualquier tipo de sustrato. Además todo el proceso se realizó a baja temperatura para que el procesado de estos dispositivos pueda ser compatible con la tecnología CMOS. Una vez optimizada la estructura AlN/diamante, mediante litografía por haz de electrones se fabricaron resonadores SAW de tamaño nanométrico que sumado a la alta velocidad resultante de la combinación AlN/diamante nos ha permitido obtener dispositivos trabajando en el rango de 10-28 GHz con un alto factor de calidad y rechazo fuera de la banda. Estás frecuencias y prestaciones no han sido alcanzadas por el momento en resonadores de este tipo. Por otra parte, se han utilizado estos dispositivos para fabricar sensores de presión de alta sensibilidad. Estos dispositivos son afectados altamente por los cambios de temperatura. Se realizó también un exhaustivo estudio de cómo se comportan en temperatura estos resonadores, entre -250ºC y 250ºC (rango de temperaturas no estudiado hasta el momento) diferenciándose dos regiones una a muy baja temperatura en la que el dispositivo muestra un coeficiente de retraso en frecuencia (TCF) relativamente bajo y otra a partir de los -100ºC en la que el TCF es similar al observado en la bibliografía. Por tanto, durante esta tesis se ha optimizado el depósito de AlN sobre diamante para que sea compatible con la tecnología CMOS y permita el procesado de dispositivos trabajando a muy alta frecuencia con altas prestaciones para comunicaciones y sensores. ABSTRACT The increasing volume of information in data transmission systems results in a growing demand of applications working in the super-high-frequency band (3–30 GHz). Most of these systems work with surface acoustic wave (SAW) devices and thus there is a necessity of increasing their resonance frequency. Moreover, sensor application includes this kind of devices. The sensitivity of them is proportional with its frequency. Traditionally, quartz, LiNbO3 and LiTaO3 have been used in the fabrication of SAW devices. These materials suffer from a variety of limitations and in particular they have low SAW velocity as well as being incompatible with the CMOS technology. In order to overcome these problems, thin film technology, where a piezoelectric material is deposited on top of a substrate, has been used during the last decades. The piezoelectric/substrate structure allows to reach the frequencies required nowadays and could be compatible with the mass electronic production CMOS technology. This thesis work focuses on the fabrication of SAW devices working in the super-high-frequency range. Thin film technology has been used in order to get it, especially aluminum nitride (AlN) deposited by reactive sputtering on diamond has been used to increase the SAW velocity. Different experiments were carried out to optimize the parameters for the deposit of high quality AlN on any kind of substrates. In addition, the system was optimized under low temperature and thus this process is CMOS compatible. Once the AlN/diamond was optimized, thanks to the used e-beam lithography, nanometric SAW resonators were fabricated. The combination of the structure and the size of the devices allow the fabrication of devices working in the range of 10-28 GHz with a high quality factor and out of band rejection. These high performances and frequencies have not been reached so far for this kind of devices. Moreover, these devices have been used as high sensitivity pressure sensors. They are affected by temperature changes and thus a wide temperature range (-250ºC to 250ºC) study was done. From this study two regions were observed. At very low temperature, the temperature coefficient of frequency (TCF) is low. From -100ºC upwards the TCF is similar to the one appearing in the literature. Therefore, during this thesis work, the sputtering of AlN on diamond substrates was optimized for the CMOS compatible fabrication of high frequency and high performance SAW devices for communication and sensor application.