Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

Global instability analysis and control of three-dimensional long open cavity flow

The three-dimensional wall-bounded open cavity may be considered as a simplified geometry found in industrial applications such as leading gear or slotted flats on the airplane. Understanding the three-dimensional complex flow structure that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. At the light of the remarkable former investigations in this kind of flows, enough evidences suggest that the lateral walls have a great influence on the flow features and hence on their instability modes. Nevertheless, even though there is a large body of literature on cavity flows, most of them are based on the assumption that the flow is two-dimensional and spanwise-periodic. The flow over realistic open cavity should be considered. This thesis presents an investigation of three-dimensional wall-bounded open cavity with geometric ratio 6:2:1. To this aim, three-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) and global linear instability have been performed. Linear instability analysis reveals that the onset of the first instability in this open cavity is around Recr 1080. The three-dimensional shear layer mode with a complex structure is shown to be the most unstable mode. I t is noteworthy that the flow pattern of this high-frequency shear layer mode is similar to the observed unstable oscillations in supercritical unstable case. DNS of the cavity flow carried out at different Reynolds number from steady state until a nonlinear saturated state is obtained. The comparison of time histories of kinetic energy presents a clearly dominant energetic mode which shifts between low-frequency and highfrequency oscillation. A complete flow patterns from subcritical cases to supercritical case has been put in evidence. The flow structure at the supercritical case Re=1100 resembles typical wake-shedding instability oscillations with a lateral motion existed in the subcritical cases. Also, This flow pattern is similar to the observations in experiments. In order to validate the linear instability analysis results, the topology of the composite flow fields reconstructed by linear superposition of a three-dimensional base flow and its leading three-dimensional global eigenmodes has been studied. The instantaneous wall streamlines of those composited flows display distinguish influence region of each eigenmode. Attention has been focused on the leading high-frequency shear layer mode; the composite flow fields have been fully recognized with respect to the downstream wave shedding. The three-dimensional shear layer mode is shown to give rise to a typical wake-shedding instability with a lateral motions occurring downstream which is in good agreement with the experiment results. Moreover, the spanwise-periodic, open cavity with the same length to depth ratio has been also studied. The most unstable linear mode is different from the real three-dimensional cavity flow, because of the existence of the side walls. Structure sensitivity of the unstable global mode is analyzed in the flow control context. The adjoint-based sensitivity analysis has been employed to localized the receptivity region, where the flow is more sensible to momentum forcing and mass injection. Because of the non-normality of the linearized Navier-Stokes equations, the direct and adjoint field has a large spatial separation. The strongest sensitivity region is locate in the upstream lip of the three-dimensional cavity. This numerical finding is in agreement with experimental observations. Finally, a prototype of passive flow control strategy is applied.

Del empirismo a la invención: cálculo y proyecto en la arquitectura moderna

El objetivo de esta tesis es poner de relieve cómo el desarrollo del cálculo de estructuras ha influido en la manera de concebir la forma arquitectónica y qué relaciones se establecen entre estructura (formal) y estructura resistente. Este modo de explicar el hecho arquitectónico, desde la relación arte-estructura, no es el más generalizado. Por lo que profundizar en él podría llegar a enriquecer la manera en la que se comprende la arquitectura. Por tanto, se parte de la base de que la técnica no es sólo un instrumento, un medio del que disponer, sino que es un proceso mediante el cual la abstracción se hace tangible. Con lo que se produce una retroalimentación entre lo universal, es decir, lo abstracto, y lo concreto, o sea, lo real. Además, esta investigación se centra en la estructura resistente, en tanto que se trata del único principio sine qua non de la tríada vitruviana. Sin embargo, no se incurre en el error de pensar que la arquitectura depende únicamente de la tecnología para su desarrollo; hay muchos más condicionantes que intervienen en ella, que van desde la expresión, hasta cuestiones sociológicas. La manera en la que los proyectistas diseñan se desarrolla en paralelo a la evolución de la técnica. Ahora bien, la meta de esta investigación consiste en dilucidar hasta qué punto la voluntad de los arquitectos e ingenieros es independiente de la tecnología. Para ello, se lleva a cabo un análisis desde dos puntos de vista. El primero plantea un desarrollo histórico de la evolución de la teoría del cálculo de estructuras en el que, a través del tiempo, se analizan las repercusiones formales que se han ido derivando de él, tanto en ingeniería, como en arquitectura. Se pretende, así, llevar a cabo una lectura de la historia para entender el presente y proyectar el futuro. La segunda visión que se plantea estudia el modo en el que los historiadores de la arquitectura moderna han entendido la noción de estructura resistente. Dado que se entiende que los críticos de arquitectura inf uyen en la manera de pensar y entender dicha disciplina. Para desarrollarla se tomó como referencia a Panayotis Tournikiotis y su libro La historiografía de la arquitectura moderna. Finalmente, se elabora una lectura transversal de ambos puntos de vista, con la intención de discernir la influencia de la técnica en la génesis de la arquitectura en el siglo XX. En ella se estudian algunos de los ejemplos más importantes de la arquitectura moderna, así como se intentan esclarecer las distintas maneras de proyectar en relación a la estructura resistente. A partir de todo lo anterior se pretende responder a la siguiente pregunta: ¿la manera en que los proyectistas plantean la relación entre estructura (formal) y estructura resistente ha sido la misma a lo largo de la Historia? Podría decirse que no. Dicha relación ha evolucionado desde el empirismo a la invención, pasando por la ciencia. En cada una de esas etapas el entendimiento, no sólo del comportamiento estructural de las construcciones, sino también del Imago Mundi, ha ido variando; lo que se ha plasmado en la relación entre estructura (formal) y estructura resistente en los edificios. RECENSIONE L’obiettivo della presente tesi è mettere in evidenza come lo sviluppo del calcolo strutturale ha inf uenzato il modo di concepire la forma architettonica e, che relazioni si stabiliscono tra struttura (formale) e struttura resistente. Questo modo di spiegare la questione architettonica, partendo dalla relazione arte-struttura, non è il più comune. Quindi, approfondire la ricerca su questo aspetto potrebbe arrivare ad arricchire la maniera in cui si capisce l’architettura. Per tanto, si parte da un principio di base ovvero che la tecnica non è soltanto uno strumento, un medio di cui disporre, ma che è un processo mediante il quale l’astrazione si fa tangibile. Con cui si produce una retroalimentazione tra l’universale, cioè, l’astratto e il concreto, ossia, il reale. Inoltre, questa ricerca si centra nella struttura resistente, in quanto si tratta dell’unico principio sine qua non della triade vitruviana. Eppure, non s’incorre nell’errore di pensare che l’architettura dipenda unicamente della tecnologia per il suo sviluppo; ci sono molti altri condizionanti che intervengono in essa, che vanno dalla espressione f no a questioni sociologiche. La maniera in cui i progettisti disegnano si sviluppa in parallelo alla evoluzione della tecnica. Tuttavia, l’obbiettivo della ricerca consiste nel cercare di chiarire f no che punto la volontà progettuale e ideativa degli architetti e degli ingegneri è indipendente della tecnologia. Per questo, si realizza un’analisi da due punti di vista. Il primo ipotizza uno sviluppo storico dell’evoluzione della teoria del calcolo strutturale in cui, attraverso del tempo, si analizzano le ripercussioni formali che si sono derivate da questo, sia in ingegneria sia in architettura. Si pretende così, realizzare una lettura della storia per capire il presente e progettare il futuro. La seconda visione che s’ ipotizza, studia il modo in cui gli storici dell’architettura moderna hanno capito la nozione di struttura resistente. Poiché si capisce che i critici di architettura inf uiscono nella maniera di pensare e capire questa disciplina. Per svilupparla si prese come riferimento Panayotis Tournikiotis e il suo libro La storiograf a dell’architettura moderna. Finalmente, si elabora una lettura trasversale di ambedue punti di vista, con l’intenzione di discernere l’inf uenza della tecnica nella genesi dell’architettura nel XX secolo. In questa si studiano alcuni degli esempi più importanti dell’architettura moderna, così come si tentano chiarif care le diverse maniere di progettare in relazione alla struttura resistente. Oltretutto quello precedente, si pretende rispondere alla seguente domanda: La maniera in cui i progettisti ipotizzano la relazione tra struttura (formale) e struttura resistente è stata la stessa lungo la storia? Potrebbe dirsi di no. Essa relazione si è evoluta dall’empirismo all’invenzione, passando per la scienza. In ogni una di queste tappe si cerca di comprendere, non soltanto il comportamento strutturale delle costruzioni, ma anche l’aspetto del Imago Mundi. Ció che é cambiato è la coesistenza tra struttura (formale) e struttura resistente negli edifici. ABSTRACT T e objective of this thesis is to highlight how the development of structural analysis has influenced the way of conceiving architectural form and what relationship exists between (formal) structure and resistant structure. T is way of explaining architecture, from the relationship between art and structure, is not the most generalized, which is why increasing our understanding of it can enrich the way in which architecture is understood. Therefore, the basis is that technique is not only an instrument, a medium to have, but rather a process through which abstraction becomes tangible. Because of this, a type of feedback is produced between what is universal, in other words, abstract, and concrete, real. Additionally, this research focuses on resistant structure in that it refers to the unique principal sine qua non of the Vitruvian triad. However, it does not err by accepting the idea that architecture depends only on technology for its development; there are many conditioners which intervene which include everything from expression to sociological issues. T e way in which builders design is developed parallel to the evolution of technique. T e goal of this investigation consists of explaining to what point the will of architects and engineers is independent from technology. For this, an analysis of two points of view is helpful. T e f rst proposes a historical development of the theory of structures in which, through time, formal repercussions that have derived from it, in engineering as well as in architecture, are analyzed. In this way, a historical reading is attempted in order to understand the present and predict the future. T e second vision that is proposed studies the manner in which historians of modern architecture have understood the notion of resistant structure, given that it is understood that the critics of architecture inf uence the way of thinking about and understanding this discipline. In order to develop it, Panayotis Tournikiotis and his book La historiografía de la arquitectura moderna was used as a reference. Finally, a transversal reading of both points of view is done with the intention of discerning the influence of technique in the genesis of architecture in the 20th century. In this reading, several of the most important examples of modern architecture are studied and an attempt is made at shedding light on the different ways of designing in relation to resistant structure. Using the previous discussion, one can attempt to respond to the following question: Has the way in which designers conceive the relationship between (formal) structure and resistant structure been the same throughout history? In fact, the answer is no, this relationship has evolved from empiricism into invention, while incorporating scientific elements. At each of the stages of understanding, structural behavior of constructions as well as that of the Imago Mundi has continually changed, which has been captured in the relationship between (formal) structure and resistant structure in buildings.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Desarrollo sostenible de la construcción naval: dinámica evolutiva y eco-innovación en el sector de reparaciones europeo

El impacto ambiental directo de la construcción naval, que se refiere a la construcción, mantenimiento y reparación de buques, no es de ninguna manera pequeño. La construcción de buques depende de un gran número de procesos que por sí mismos constituyen un riesgo significativo de daño medio ambiental en el entorno de los astilleros y que conducen a emisiones significativas de gases de efecto invernadero. Además, la construcción naval utiliza algunos materiales que no sólo puede llevar a graves consecuencias para el daño ambiental durante su producción y su uso en el proceso de construcción de la nave, sino también posteriormente durante la reparación de buques, el funcionamiento y las actividades de reciclaje. (OECD 2010) El impacto ambiental directo de la construcción naval constituye de por sí, un desafío importante para la industria. Pero este impacto no queda limitado a su entorno inmediato, aunque la Construcción Naval no es directamente responsable de la repercusión en el medio ambiente de la operación y el reciclaje de buques comerciales, si es una parte integral de estas actividades. (OECD 2010) En esta tesis se sugiere que el sector de la construcción naval puede y debe aceptar sus responsabilidades ambientales no solo en el entorno del astillero; también en la operación de los buques, sus productos; tomando conciencia, a través de un enfoque de ciclo de vida, del desempeño ambiental de la industria en su conjunto. Es necesario intensificar esfuerzos a medida que el impacto ambiental de la industria es cada vez más visible en el dominio público, en pro de un crecimiento verde que permita aumentar la capacidad de actividad o producción económica al tiempo que reduce o elimina, los impactos ambientales. Este será un imperativo para cualquier futura actividad industrial y exigirá naturalmente conocimiento ambiental intrincado perteneciente a todos los procesos asociados. Esta tesis - aprovechando como valiosa fuente de información los desarrollos y resultados del proyecto europeo: “Eco_REFITEC”. FP7-CP-266268, coordinado por el autor de esta Tesis, en nombre de la Fundación Centro Tecnológico SOERMAR - tiene como primer objetivo Investigar la interpretación del concepto de Construcción Naval y Transporte Marítimo sostenible así como las oportunidades y dificultades de aplicación en el sector de la Construcción y reparación Naval. Ello para crear o aumentar el entendimiento de la interpretación del concepto de transporte marítimo sostenible y la experiencia de su aplicación en particular en los astilleros de nuevas construcciones y reparación. Pretende también contribuir a una mejor comprensión de la industria Marítima y su impacto en relación con el cambio climático, y ayudar en la identificación de áreas para la mejora del desempeño ambiental más allá de las operaciones propias de los astilleros; arrojando luz sobre cómo puede contribuir la construcción naval en la mejora de la eficiencia y en la reducción de emisiones de CO2 en el transporte marítimo. Se espera con este enfoque ayudar a que la Industria de Construcción Naval vaya abandonando su perspectiva tradicional de solo mirar a sus propias actividades para adoptar una visión más amplia tomando conciencia en cuanto a cómo sus decisiones pueden afectar posteriormente las actividades aguas abajo, y sus impactos en el medio ambiente, el cambio climático y el crecimiento verde. Si bien cada capítulo de la tesis posee su temática propia y una sistemática específica, a su vez retoma desde una nueva perspectiva cuestiones importantes abordadas en otros capítulos. Esto ocurre especialmente con algunos ejes que atraviesan toda la tesis. Por ejemplo: la íntima relación entre el transporte marítimo y el sector de construcción naval, la responsabilidad de la política internacional y local, la invitación a buscar nuevos modos de construir el futuro del sector a través de la consideración de los impactos ambientales, económicos y sociales a lo largo de ciclo de vida completo de productos y servicios. La necesidad de una responsabilidad social corporativa. Estos temas no se cierran ni terminan, sino que son constantemente replanteados tratando de enriquecerlos. ABSTRACT The direct environmental impact of shipbuilding, which refers to construction, maintenance and repair of vessels, is by no means small. Shipbuilding depends on a large number of processes which by themselves constitute significant risks of damage to the shipyards‘ surrounding environment and which lead to significant emissions of greenhouse gases. In addition, shipbuilding uses some materials which not only may carry serious implications for environmental harm during their production and usage in the ship construction process, but also subsequently during ship repairing, operation, and recycling activities. (OECD 2010) The direct environmental impact of shipbuilding constitutes a major challenge for the industry. But this impact is not limited on their immediate surroundings, but while not being directly responsible for the impact on the environment from the operation and final recycling of commercial ships, shipbuilding is an integral part of these activities. (OECD 2010) With this in mind, this thesis is suggested that the shipbuilding industry can and must take up their environmental responsibilities not only on their immediate surroundings, also on the ships operation, becoming aware through a “life cycle” approach to ships, the environmental performance of the industry as a whole. As the environmental impact of the industry is becoming increasingly visible in the public domain much more effort is required for the sake of “green growth” which implies the ability to increase economic activity or output while lowering, or eliminating, environmental impacts. This will be an imperative for any future industrial activity and will naturally demand intricate environmental knowledge pertaining to all associated processes. This thesis making use as a valuable source of information of the developments and results of an European FP7-collaborative project called "Eco_REFITEC, coordinated by the author of this thesis on behalf of the Foundation Center Technology SOERMAR, has as its primary objective to investigate the interpretation of a sustainable Shipbuilding and Maritime Transport concept and the challenges and opportunities involved in applying for the Shipbuilding and ship repair Sector. It is done to improve the current understanding regarding sustainable shipping and to show the application experience in shipbuilding and ship repair shipyards. Assuming that sustainability is more than just an act but a process, this academic work it also aims to contribute to a much better understanding of the maritime industry and its impact with respect to climate change, and help in identifying areas for better environmental performance beyond the shipyard's own operations; shedding light on how shipbuilding can contribute in improving efficiency and reducing CO2 emissions in shipping. It is my hope that this thesis can help the Shipbuilding Industry to abandon its traditional perspective where each simply looks at its own activities to take a broader view becoming aware as to how their decisions may further affect downstream activities and their impacts on the environment, climate change and green growth. Although each chapter will have its own subject and specific approach, it will also take up and re-examine important questions previously dealt with. This is particularly the case with a number of themes which will reappear as the thesis unfolds. As example I will point to the intimate relationship between the shipping and shipbuilding industry, the responsibility of international and local policy, the call to seek other ways of building the future of the sector through the consideration of the environmental, economic and social impacts over the full life cycle of the products and services, the need for a corporate social responsibility. These questions will not be dealt with once and for all, but reframed and enriched again and again.

Can Lis : la huella de la arquitectura de Jørn Utzon a través de esta obra

La tesis “CAN LIS, La huella de la arquitectura de Jørn Utzon a través de su obra Can Lis” analiza en profundidad la vivienda que Jørn Utzon realizó para sí mismo en la entonces calle de la Media Luna, Porto Petro, Mallorca, entre los años 1970-74. La investigación plantea el análisis de esta obra maestra de la arquitectura, sus causas e intenciones, su proceso proyectual, su proceso constructivo, sus relaciones e influencias y sus significados últimos. Este estudio es fruto de una labor de investigación que comenzó hace más de 10 años. Enfrentarse a una obra cuya imagen es tan conocida es una tarea menos sencilla de lo que pudiera parecer. La descripción del proceso de trabajo de Jørn Utzon en Can Lis, y de su método en general, contiene un considerable número de mitificaciones que han sido comúnmente sostenidas por diversos estudiosos de prestigio, que han abordado esta obra sin un estudio razonable de la documentación existente, ni una investigación de los archivos, ni una comprobación de los hechos o una consulta de los testigos intervinientes. Por ello, cuestiones fundamentales habían quedado en el terreno de la conjetura y permanecía deformada la visión general de los procesos de Jørn Utzon en Mallorca. La tesis se ha estructurado en dos grandes apartados que permitan la comprensión de los elementos fundamentales para su gestación: por un lado, el proceso proyectual y constructivo con sus circunstancias y condicionantes y, por otro, el conjunto de hechos y conceptos que han influido de manera directa y significativa en su concreción. Esta investigación contiene una cantidad considerable de materiales y hechos inéditos, fruto de su desarrollo, así como documentación y dibujos nunca publicados anteriormente. Es por tanto, el estudio más completo realizado sobre Can Lis hasta la fecha. En la primera parte de la tesis “CAN LIS” se aborda todo el proceso proyectual de Can Lis desde los primeros croquis, con las condiciones y motivaciones iniciales, los proyectos sucesivos, el proyecto básico y el proyecto de ejecución, hasta el proceso de construcción, su desarrollo y circunstancias, así como las modificaciones posteriores introducidas. Estos elementos se estructuran en tres apartados 1) Las condiciones y condicionantes iniciales. 2) El proceso proyectual. 3) El proceso constructivo. En la segunda parte de la tesis “La huella de la arquitectura de Jørn Utzon a través de su obra Can Lis” se han analizado de manera particular algunos hechos arquitectónicos y vitales previos que fueron especialmente determinantes en la concepción de Can Lis y la serie de influencias directas que son imprescindibles para la comprensión de las condiciones en que se desarrolló y de las ideas que alumbra. Estudios previos de toda la trayectoria de Utzon y todo el corpus de influencias ayudaron a determinar cuáles de ellos son fundamentales para la comprensión del proceso. Estos elementos se pueden considerar directamente precursores de ideas desarrolladas específicamente en Can Lis: 4) La experimentación en Australia: la naturaleza, la dimensión humana y la técnica. La casa de Bayview. 5) Utzon y el descubrimiento de lo islámico: la secuencia espacial, la materia y la luz de la arquitectura islámica como experiencia de aprendizaje. 6) Paisaje sacro, hombre y arquitectura: la búsqueda de Utzon en Grecia. Las conclusiones de este estudio determinan una serie de certezas sobre los procesos de Jørn Utzon en Can Lis, y en su obra global, durante las diversas fases creativas que desmitifican muchos acercamientos precedentes: la visión universal de la arquitectura en su acercamiento al proyecto, el entretejido método proyectual de Utzon, la precisa búsqueda del desarrollo constructivo junto a la ejemplaridad en el rigor, la vitalidad y la espiritualidad con que Utzon aborda la arquitectura, la trascendencia de la forma de habitar de las personas y el valor que para Utzon tiene la arquitectura como medio para revelar el orden universal que nos rodea. ABSTRACT “CAN LIS. The footprint of Jørn Utzon´s architecture through his work Can Lis” carries out a thorough analysis of the house Jørn built for himself between 1970 and 1974 on the street formerly called Calle de la Media Luna, in Porto Petro on the island of Mallorca. The research focuses on the causes that brought about this masterpiece, its purposes, design and building processes, its relations with and influences on other buildings and its ultimate meanings. This study is the result of a research that started over 10 years ago. Approaching a piece of work whose image is so well-known is harder than one might think. Many aspects of Jørn Utzon´s working method in Can Lis particularly but also generally have been described inaccurately and mythicized by several renowned scholars, who hadn´t really studied the existing documents or archives nor confirmed their hypotheses or consulted witnesses of the creation of Can Lis. This is why many key issues have been uncertain all this time and the general idea about Utzon´s working process in Mallorca has been distorted. This dissertation has been structured into two main sections with the aim of helping understand all the facts that led to the creation of the building: the first part describes the design and building processes, as well as the circumstances and constraints under which they were carried out. The second part presents the events and ideas that directly and indirectly influenced the final work. This thesis contains a large amount of unpublished material and information, documents and drawings from the creation process as the inevitable result of a long lasting tenacious research. It probably is the most comprehensive study on Can Lis so far. The first section, “CAN LIS”, addresses the design process of Can Lis from the very first sketches all the way through the subsequent plans, including basic and execution plans and the building process up to the changes that were later carried out on the building. The project´s initial conditions and Utzon´s first motivations and the evolution and circumstances of the building process are also described in this section, which has been divided into three parts: 1. The initial conditions and constraints. 2. The design process. 3. The building process. The second section, “The footprint of Jørn Utzon´s architecture through his work Can Lis”, focuses on some events in Utzon´s life and some of his architectural experiences prior to the creation of Can Lis that were decisive to it. Also the direct influences on the process which are key to understanding the conditions under which the creation was carried out as well as the ideas Can Lis sheds a light on are illustrated in this section. A thorough study of the whole process Utzon went through and of all the influences he was subjected to helped determine what is crucial to comprehending Can Lis. These events or experiences can be considered as the direct precursors to the ideas that crystallised in this master piece: 4. Experiments carried out in Australia: nature, human and technical dimensions. The Bayview house. 5. Utzon´s discovery of Islamic architecture: spatial sequences, matter and light as a learning experience. 6. Sacred landscape, man and architecture: Utzon´s quest in Greece. The findings of this research determine some aspects of Utzon´s working methods at every stage of the creation process both in Can Lis and in general, thus shedding light on previous mistaken ideas about Utzon´s way of working. A universal understanding of architecture, an intertwined design method, a tenacious search for the exact construction solutions, an exemplary rigour, vitality and spirituality in the design approach, the transcendence of our way of living and architecture´s potential to reveal the Universal order that surrounds are all aspects that do define Utzon as an architect.

Flow around a hemisphere-cylinder at high angle of attack and low Reynolds number. Part II: POD and DMD applied to reduced domains

Three-dimensional direct numerical simulations (DNS) have been performed on a finite-size hemispherecylinder model at angle of attack AoA = 20◦ and Reynolds numbers Re = 350 and 1000. Under these conditions, massive separation exists on the nose and lee-side of the cylinder, and at both Reynolds numbers the flow is found to be unsteady. Proper orthogonal decomposition (POD) and dynamic mode decomposition (DMD) are employed in order to study the primary instability that triggers unsteadiness at Re = 350. The dominant coherent flow structures identified at the lower Reynolds number are also found to exist at Re = 1000; the question is then posed whether the flow oscillations and structures found at the two Reynolds numbers are related. POD and DMD computations are performed using different subdomains of the DNS computational domain. Besides reducing the computational cost of the analyses, this also permits to isolate spatially localized oscillatory structures from other, more energetic structures present in the flow. It is found that POD and DMD are in general sensitive to domain truncation and noneducated choices of the subdomain may lead to inconsistent results. Analyses at Re = 350 show that the primary instability is related to the counter rotating vortex pair conforming the three-dimensional afterbody wake, and characterized by the frequency St ≈ 0.11, in line with results in the literature. At Re = 1000, vortex-shedding is present in the wake with an associated broadband spectrum centered around the same frequency. The horn/leeward vortices at the cylinder lee-side, upstream of the cylinder base, also present finite amplitude oscillations at the higher Reynolds number. The spatial structure of these oscillations, described by the POD modes, is easily differentiated from that of the wake oscillations. Additionally, the frequency spectra associated with the lee-side vortices presents well defined peaks, corresponding to St ≈ 0.11 and its few harmonics, as opposed to the broadband spectrum found at the wake.

Flow around a hemisphere-cylinder at high angle of attack and low Reynolds number. Part I: Experimental and numerical investigation

Three-dimensional Direct Numerical Simulations combined with Particle Image Velocimetry experiments have been performed on a hemisphere-cylinder at Reynolds number 1000 and angle of attack 20◦. At these flow conditions, a pair of vortices, so-called “horn” vortices, are found to be associated with flow separation. In order to understand the highly complex phenomena associated with this fully threedimensional massively separated flow, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal and Dynamic Mode Decompositions, POD and DMD, respectively, as well as criticalpoint theory. A single dominant frequency associated with the von Karman vortex shedding has been identified in both the experimental and the numerical results. POD and DMD modes associated with this frequency were recovered in the analysis. Flow separation was also found to be intrinsically linked to the observed modes. On the other hand, critical-point theory has been applied in order to highlight possible links of the topology patterns over the surface of the body with the computed modes. Critical points and separation lines on the body surface show in detail the presence of different flow patterns in the base flow: a three-dimensional separation bubble and two pairs of unsteady vortices systems, the horn vortices, mentioned before, and the so-called “leeward” vortices. The horn vortices emerge perpendicularly from the body surface at the separation region. On the other hand, the leeward vortices are originated downstream of the separation bubble, as a result of the boundary layer separation. The frequencies associated with these vortical structures have been quantified.