Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.

Estudio de la fisuración en particiones verticales de yeso laminado, producidas por la deformación de forjados

Las exigencias de calidad, tanto en el ámbito de la rehabilitación como en el de las obras de nueva planta, obligan a evitar la fisuración de la tabiquería. Una de sus principales causas es la deformación excesiva de los forjados. Aunque en la mayoría de los casos no tiene efectos estructurales sino solamente estéticos, es necesario tomar precauciones para evitar la fisuración, pues es una de las patologías más frecuentes y en muchos casos motivo de reclamación de los usuarios. El aumento del consumo de los paneles de placa de yeso laminado y lana de roca para la realización de tabiquerías, justifica la necesidad de ahondar en el conocimiento del comportamiento y del mecanismo de fisuración de este material, pues hasta la fecha no se ha encontrado ningún trabajo especificamente dedicado al estudio del comportamiento en fractura de paneles sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca en su plano. A la hora de abordar el estudio del comportamiento en fractura del material objeto de esta tesis, es preciso tener en cuenta que se trata de un material compuesto y, como tal, sus propiedades mecánicas y resistentes dependen en gran medida de las de sus componentes. Por tanto, para poder explicar el comportamiento en fractura del panel sandwich, habrá que estudiar también el de sus componentes. Por otro lado, se considera también muy útil disponer de una herramienta de calculo para la simulación de la fractura de paneles sandwich que sea predictiva. Este modelo hará posible facilitar el diseño de tabiquerías que no se fisure con este material, al poder relacionar las flechas que pueden tomar los forjados con su potencial fisuración. Para contrastar y validar un modelo de este tipo, es necesario disponer de suficientes datos experimentales del comportamiento en fractura del panel sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca, que se puedan simular numericamente con el mismo. A partir de lo anteriormente expuesto se plantea, en primer lugar, una campaña experimental con el fin de obtener los parámetros necesarios para caracterizar el comportamiento en fractura de los paneles sandwich y sus componentes: placa de yeso laminado y lana de roca, estudiando también, su comportamiento en fractura en Modo Mixto, y el efecto del tamaño en los parámetros del panel. Por otro lado se propone un modelo de cálculo para la simulación de la fractura en Modo Mixto de paneles sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca, comprobando la validez del modelo numérico a partir de los resultados experimentales obtenidos en la campaña de ensayos. Finalmente, se aplica el modelo para estudiar la fisuración de tabiquería realizada con el panel sandwich producida por la deformación de forjados unidireccionales realizados con viguetas de hormigón y bovedilla cerámica, por ser esta tipología la más usual en obras de edificación de viviendas. The quality requirements in terms of rehabilitation and new Works, force to prevent cracking on partitions and one of the main causes is the excessive deformation of the floor. In most of the cases, there are any structural damages, only aesthetic effects, but it is necessary to take precautions to avoid cracking because it is one of the most common diseases and in addition is the main reason of user’s complaints. The increased consumption of plasterboard panels and mineral wool used to build partitions, justifies the need to develop a deeper understanding of the cracking behaviour and mechanism, because by now, any specifically work dedicated to the study of fractures behaviour of sandwich plasterboard panels and rock wool has been found. When approaching the study of the fracture behaviour of the material it must bear in mind that we are referring to a composite material and as such, its mechanical and strength properties depend heavily on its components. Therefore, to explain the fracture behaviour of sandwich panels its components must be studied as well. On the other hand, it is also considered very useful to have a calculation tool to simulate the more likely fractures of the sandwich panel in order to predict it. This model used to perform simulations will enable the design of partitions built with these materials without cracks because it will relate the deflections in decks with its potential cracking. To contrast and validate this type of model, it is necessary and imperative to have enough experimental data of the sandwich plasterboard and rock wool fractures in order to enable its numerical simulation with it. On the basis of the above, the question arises firstly an experimental campaign in order to obtain the necessary parameters to characterize the cracking behaviour of sandwich panels and its components: plasterboard and rock wool, studying also its cracking behaviour in a mixed mode fracture and the effect of size parameters of the panel. Furthermore, a calculation model to simulate fractures in mixed mode of the sandwich panels made of plasterboard and rock wool is proposed in order to check the validity of the numerical model, based on experimental results obtained from the test campaign. Finally, this model is applied to study cracking on partitions built with sandwich panels resulting from the unidirectional floor’s deformations built with prestressed concrete beams and slab pottery pieces being this typology the most common one on residential buildings works.

Diseño de un sistema regional de alerta de tsunamis como parte integral de la operación portuaria

En este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología para obtener un universo de funciones de Green y el algoritmo correspondiente, para estimar la altura de tsunamis a lo largo de la costa occidental de México en función del momento sísmico y de la extensión del área de ruptura de sismos interplaca localizados entre la costa y la Trinchera Mesoamericana. Tomando como caso de estudio el sismo ocurrido el 9 de octubre de 1995 en la costa de Jalisco-Colima, se estudiaron los efectos del tsunami originados en la hidrodinámica del Puerto de Manzanillo, México, con una propuesta metodológica que contempló lo siguiente: El primer paso de la metodología contempló la aplicación del método inverso de tsunamis para acotar los parámetros de la fuente sísmica mediante la confección de un universo de funciones de Green para la costa occidental de México. Tanto el momento sísmico como la localización y extensión del área de ruptura de sismos se prescribe en segmentos de planos de falla de 30 X 30 km. A cada uno de estos segmentos del plano de falla corresponde un conjunto de funciones de Green ubicadas en la isobata de 100 m, para 172 localidades a lo largo de la costa, separadas en promedio 12 km entre una y otra. El segundo paso de la metodología contempló el estudio de la hidrodinámica (velocidades de las corrientes y niveles del mar en el interior del puerto y el estudio del runup en la playa) originada por el tsunami, la cual se estudió en un modelo hidráulico de fondo fijo y en un modelo numérico, representando un tsunami sintético en la profundidad de 34 m como condición inicial, el cual se propagó a la costa con una señal de onda solitaria. Como resultado de la hidrodinámica del puerto de Manzanillo, se realizó un análisis de riesgo para la definición de las condiciones operativas del puerto en términos de las velocidades en el interior del mismo, y partiendo de las condiciones iniciales del terremoto de 1995, se definieron las condiciones límites de operación de los barcos en el interior y exterior del puerto. In this work is presented the development of a methodology in order to obtain a universe of Green's functions and the corresponding algorithm in order to estimate the tsunami wave height along the west coast of Mexico, in terms of seismic moment and the extent of the area of the rupture, in the interplate earthquakes located between the coast and the Middle America Trench. Taking as a case of study the earthquake occurred on October 9, 1995 on the coast of Jalisco-Colima, were studied the hydrodynamics effects of the tsunami caused in the Port of Manzanillo, Mexico, with a methodology that contemplated the following The first step of the methodology contemplated the implementation of the tsunami inverse method to narrow the parameters of the seismic source through the creation of a universe of Green's functions for the west coast of Mexico. Both the seismic moment as the location and extent of earthquake rupture area prescribed in segments fault planes of 30 X 30 km. Each of these segments of the fault plane corresponds a set of Green's functions located in the 100 m isobath, to 172 locations along the coast, separated on average 12 km from each other. The second step of the methodology contemplated the study of the hydrodynamics (speed and directions of currents and sea levels within the port and the study of the runup on the beach Las Brisas) caused by the tsunami, which was studied in a hydraulic model of fix bed and in a numerical model, representing a synthetic tsunami in the depth of 34 m as an initial condition which spread to the coast with a solitary wave signal. As a result of the hydrodynamics of the port of Manzanillo, a risk analysis to define the operating conditions of the port in terms of the velocities in the inner and outside of the port was made, taken in account the initial conditions of the earthquake and tsunami ocurred in Manzanillo port in 1995, were defined the limits conditions of operation of the ships inside and outside the port.

Funcionalización de superficies metálicas mediante procesos láser

El presente trabajo tiene dos objetivos diferenciados. El primero de ellos tiene un punto de vista más ingenieril que es el de obtener una gama cromática extensa y parametrizar los colores para su reproducción en aplicaciones industriales. El segundo, desarrollar y proponer un modelo numérico óptico de interferencia en láminas delgadas que describa y relacione el espesor de la capa de óxido obtenida por marcado láser con el color obtenido en la superficie procesada. Para desarrollar ambos estudios ha sido necesaria una extensa búsqueda bibliográfica para comprender el proceso de formación de la capa de óxido y los compuestos que se generaban en la misma. Como objetivo para la gama cromática se buscaba obtener un total de doce colores. No se han obtenido dos de los colores primarios considerados pero sí una extensa gama de colores intermedios, muy superior en número objetivo, que evidencian el potencial que tiene el procesado láser para la obtención de colores en la superficie de acero inoxidable. Para conseguir obtener la gama cromática ha sido necesaria la realización de ensayos para parametrizar el haz láser. Se ha estudiado la estabilidad de la potencia media de pulso, se ha calculado indirectamente la cintura del haz y se ha medido el tamaño del spot láser a distintas cotas respecto del plano focal. El modelo óptico de interferencia en capa delgada ha sido comparado con un ensayo en el que se midieron las reflectancias en muestras de acero procesadas con láser. Este ensayo ha permitido dilucidar que la composición de la capa de óxido introducida en el modelo que más se aproxima a los resultados, entre las tres composiciones consideradas, se compone de un 50% de cromita y 50% de magnetita, considerando una relación lineal y directamente proporcional entre la proporción de los mismos y sus propiedades ópticas. A nivel cualitativo, se pueden relacionar los colores encontrados en los aceros con el modelo óptico en función de las reflectancias predominantes para cada espesor de capa de óxido de forma que exista una relación directa entre tamaño de la capa de óxido y densidad de energía depositada en la muestra. Aunque ajustar y validar un modelo óptico está fuera del alcance del proyecto, el resultado anterior permite justificar y afirmar que el fenómeno de interferencia óptica está presente entre los fenómenos que generan el color en la superficie del acero tras procesado láser. También se comprueba en el trabajo, a través de un ensayo que mide la rugosidad superficial de las muestras obtenidas, que la rugosidad es un parámetro que afecta en gran medida al resultado que se obtiene tras el procesado láser. El presente trabajo tiene un gran interés industrial. El marcado láser presenta una gran versatilidad por las distintas aplicaciones en las que puede emplearse. Es muy utilizado para crear métodos de identificación por su flexibilidad y rapidez y su carácter indeleble, económico y prácticamente ausente de mantenimiento. La alta inversión inicial es rentable para grandes niveles de producción por su velocidad de producción, repetitividad y facilidad de automatización. Puede ejercer una influencia importante en el control del stocks y en el seguimiento del ciclo de vida del producto. La amplia gama cromática obtenida en este trabajo amplía las posibilidades de este proceso en la práctica industrial y, por tanto, su valor como proceso.

Resonadores piezoeléctricos de cizalladura: estudio de la formación de biofilms y caracterización de fluidos magneto‐reológicos

La presente tesis revisa y analiza algunos aspectos fundamentales relativos al comportamiento de los sensores basados en resonadores piezoeléctricos TSM (Thickness Shear Mode), así como la aplicación de los mismos al estudio y caracterización de dos medios viscoelásticos de gran interés: los fluidos magnetoreológicos y los biofilms microbianos. El funcionamiento de estos sensores está basado en la medida de sus propiedades resonantes, las cuales varían al entrar en contacto con el material que se quiere analizar. Se ha realizado un análisis multifrecuencial, trabajando en varios modos de resonancia del transductor, en algunas aplicaciones incluso de forma simultánea (excitación pulsada). Se han revisado fenómenos como la presencia de microcontactos en la superficie del sensor y la resonancia de capas viscoelásticas de espesor finito, que pueden afectar a los sensores de cuarzo de manera contraria a lo que predice la teoría convencional (Sauerbrey y Kanazawa), pudiéndonos llevar a incrementos positivos de la frecuencia de resonancia. Además, se ha estudiado el efecto de una deposición no uniforme sobre el resonador piezoeléctrico. Para ello se han medido deposiciones de poliuretano, modelándose la respuesta del resonador con estas deposiciones mediante FEM. El modelo numérico permite estudiar el comportamiento del resonador al modificar distintas variables geométricas (espesor, superficie, no uniformidad y zona de deposición) de la capa depositada. Se ha demostrado que para espesores de entre un cuarto y media longitud de onda aproximadamente, una capa viscoelástica no uniforme sobre la superficie del sensor, amplifica el incremento positivo del desplazamiento de la frecuencia de resonancia en relación con una capa uniforme. Se ha analizado también el patrón geométrico de la sensibilidad del sensor, siendo también no uniforme sobre su superficie. Se han aplicado sensores TSM para estudiar los cambios viscoelásticos que se producen en varios fluidos magneto-reológicos (FMR) al aplicarles distintos esfuerzos de cizalla controlados por un reómetro. Se ha podido ver que existe una relación directa entre diversos parámetros reológicos obtenidos con el reómetro (fuerza normal, G’, G’’, velocidad de deformación, esfuerzo de cizalla…) y los parámetros acústicos, caracterizándose los FMR tanto en ausencia de campo magnético, como con campo magnético aplicado a distintas intensidades. Se han estudiado las ventajas que aporta esta técnica de medida sobre la técnica basada en un reómetro comercial, destacando que se consigue caracterizar con mayor detalle algunos aspectos relevantes del fluido como son la deposición de partículas (estabilidad del fluido), el proceso de ruptura de las estructuras formadas en los FMR tanto en presencia como en ausencia de campo magnético y la rigidez de los microcontactos que aparecen entre partículas y superficies. También se han utilizado sensores de cuarzo para monitorear en tiempo real la formación de biofilms de Staphylococcus epidermidis y Eschericia coli sobre los propios resonadores de cristal de cuarzo sin ningún tipo de recubrimiento, realizándose ensayos con cepas que presentan distinta capacidad de producir biofilm. Se mostró que, una vez que se ha producido una primera adhesión homogénea de las bacterias al sustrato, podemos considerar el biofilm como una capa semi-infinita, de la cual el sensor de cuarzo refleja las propiedades viscoelásticas de la región inmediatamente contigua al resonador, no siendo sensible a lo que sucede en estratos superiores del biofilm. Los experimentos han permitido caracterizar el módulo de rigidez complejo de los biofilms a varias frecuencias, mostrándose que el parámetro característico que indica la adhesión de un biofilm tanto en el caso de S. epidermidis como de E. coli, es el incremento de G’ (relacionado con la elasticidad o rigidez de la capa), el cual viene ligado a un incremento de la frecuencia de resonancia del sensor. ABSTRACT This thesis reviews and analyzes some key aspects of the behavior of sensors based on piezoelectric resonators TSM (Thickness Shear Mode) and their applications to the study and characterization in two viscoelastic media of great interest: magnetorheological fluids and microbial biofilms. The operation of these sensors is based on the analysis of their resonant properties that vary in contact with the material to be analyzed. We have made a multi-frequency analysis, working in several modes of resonance of the transducer, in some applications even simultaneously (by impulse excitation). We reviewed some phenomena as the presence of micro-contacts on the sensor surface and the resonance of viscoelastic layers of finite thickness, which can affect quartz sensors contrary to the conventional theory predictions (Sauerbrey and Kanazawa), leading to positive resonant frequency shifts. In addition, we studied the effect of non-uniform deposition on the piezoelectric resonator. Polyurethane stools have been measured, being the resonator response to these depositions modeled by FEM. The numerical model allows studying the behavior of the resonator when different geometric variables (thickness, surface non-uniformity and deposition zone) of the deposited layer are modified. It has been shown that for thicknesses between a quarter and a half of a wavelength approximately, non-uniform deposits on the sensor surface amplify the positive increase of the resonance frequency displacement compared to a uniform layer. The geometric pattern of the sensor sensitivity was also analyzed, being also non-uniform over its surface. TSM sensors have been applied to study the viscoelastic changes occurring in various magneto-rheological fluids (FMR) when subjected to different controlled shear stresses driven by a rheometer. It has been seen that there is a direct relationship between various rheological parameters obtained with the rheometer (normal force, G', G'', stress, shear rate ...) and the acoustic parameters, being the FMR characterized both in the absence of magnetic field, and when the magnetic field was applied at different intensities. We have studied the advantages of this technique over the characterization methods based on commercial rheometers, noting that TSM sensors are more sensitive to some relevant aspects of the fluid as the deposition of particles (fluid stability), the breaking process of the structures formed in the FMR both in the presence and absence of magnetic field, and the rigidity of the micro-contacts appearing between particles and surfaces. TSM sensors have also been used to monitor in real time the formation of biofilms of Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli on the quartz crystal resonators themselves without any coating, performing tests with strains having different ability to produce biofilm. It was shown that, once a first homogeneous adhesion of bacteria was produced on the substrate, the biofilm can be considered as a semi-infinite layer and the quartz sensor reflects only the viscoelastic properties of the region immediately adjacent to the resonator, not being sensitive to what is happening in upper layers of the biofilm. The experiments allow the evaluation of the biofilm complex stiffness module at various frequencies, showing that the characteristic parameter that indicates the adhesion of a biofilm for the case of both S. epidermidis and E. coli, is an increased G' (related to the elasticity or stiffness of the layer), which is linked to an increase in the resonance frequency of the sensor.

Análisis dinámico experimental y numérico de una presa bóveda : ajuste del modelo

El objetivo de este trabajo es analizar las propiedades dinámicas de una presa bóveda de doble curvatura (presa de La Tajera, Guadalajara) para ajustar un modelo de elementos finitos. Para ello se han utilizado acelerómetros de alta sensibilidad sincronizados inalámbricamente. Se han obtenido las frecuencias, amortiguamientos y formas modales frente a los efectos de las acciones de tipo ambiental (viento, paso de vehículos). Se ha modelado mediante elementos finitos la presa y su cimiento incorporando el efecto del nivel del embalse. Con las propiedades dinámicas de la estructura halladas numéricamente se ha realizado un plan de medidas en los puntos que se consideraban más significativos. Tras realizar las medidas, se ha procedido al análisis de resultados mediante un Análisis Modal Operacional. Ello permite estimar los parámetros modales (frecuencias, amortiguamientos y formas modales) experimentalmente y se ha valorado el alcance de los mismos. Posteriormente viene la parte fundamental de este trabajo, que es el ajuste del modelo de elementos finitos inicial considerando el comportamiento dinámico obtenido experimentalmente. El modelo actualizado puede utilizarse dentro de un sistema de detección de daños, o por ejemplo, para el estudio del comportamiento ante un sismo considerando la interacción presa-embalse-cimiento. The purpose of this paper is to study the dynamic characteristics of a double curvature arch dam (La Tajera arch dam) for a Finite Element Model Updating. To achieve it, high sensitivity accelerometers synchronized wirelessly have been used. The system modal dampings, natural frequencies mode shapes are identified using output only identification techniques under environmental loads (wind, vehicles). Firstly, a finite element model of the dam-reservoir-foundation system was created. Once the dynamic properties of the structure were numerically obtained, a testing plan was then carried out identifying the most significant test points. After the measurements were carried out, an Operational Modal Analysis was performed to obtain experimentally the structure dynamic properties: natural frequencies, modal dampings and mode shapes. experimentally and to assess its reach. Then, the finite element model updating of the initial model was carried out to match the recorded dynamic behavior. The updated model may be used within a structural health monitoring and damage detection system or, as it is proposed on this thesis, for the analysis of the seismic response of arch dam-reservoir-foundation coupled systems

Modelado numérico de la fisuración por corrosión de armaduras

Se propone un modelo de elementos finitos, para el estudio de los efectos mecánicos de la corrosión del acero en el hormigón armado. Dicho modelo se basa en una imposición ordenada de la corrosión de los elementos de acero, mediante un incremento ficticio de temperatura que produce unos efectos análogos, a la vez que la fisuración del hormigón se recoge mediante un modelo conocido de fisura difusa. Se incluye un ejemplo resuelto que muestra el modo de aplicación de este modelo a problemas reales y el tipo de resultados que se pueden obtener, que se refieren especialmente al estudio de la propagación de la fisuración en función de la penetración de la corrosión en el acero.

Estudio numérico y experimental del efecto de tamaño en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles sándwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patología de fisuración debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulación y predicción de comportamiento bajo solicitaciones de tracción y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-frágil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicación a otros materiales cuasifrágiles, como el hormigón, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tamaño del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mecánico-resistente. Para ello se diseñó una campaña de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tamaño. Se han realizado ensayos de flexión en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geométricamente similares y de diferente tamaño, obteniéndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación de trabajos anteriores, obteniéndose un buen ajuste. En función de estos resultados se analiza el efecto del tamaño en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels

Estudio numérico y experimental del efecto de tamaño en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles sándwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patología de fisuración debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulación y predicción de comportamiento bajo solicitaciones de tracción y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-frágil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicación a otros materiales cuasifrágiles, como el hormigón, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tamaño del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mecánico-resistente. Para ello se diseñó una campaña de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tamaño. Se han realizado ensayos de flexión en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geométricamente similares y de diferente tamaño, obteniéndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación de trabajos anteriores, obteniéndose un buen ajuste. En función de estos resultados se analiza el efecto del tamaño en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels.

Caos en evolución no lineal de ondas de Alfven usando un modelo resistivo

Interacciones no lineales de ondas de Alfvén existen tanto para plasmas en el espacio como en laboratorios, con efectos que van desde calentamiento hasta conducción de corriente. Un ejemplo de emisión de ondas de Alfvén en ingeniería aeroespacial aparece en amarras espaciales. Estos dispositivos emiten ondas en estructuras denominadas “Alas de Alfvén”. La ecuación derivada no lineal de Schrödinger (DNLS) posee la capacidad de describir la propagación de ondas de Alfvén de amplitud finita circularmente polarizadas en un plasma frío. En esta investigación, dicha ecuación es truncada con el objetivo de explorar el acoplamiento coherente, débilmente no lineal y cúbico de tres ondas cerca de resonancia. De las tres ondas, una es linealmente inestable y las otras dos son amortiguadas. Por medio de la utilización de este modelo se genera un flujo 4D formado por tres amplitudes y una fase relativa. En trabajos anteriores se analizó la transición dura hacia caos en flujos 3D.2005). Se presenta en este artículo un análisis teórico y numérico del comportamiento del sistema cuando la tasa de crecimiento de la onda inestable es muy próxima a cero y considerando amortiguamiento resistivo, es decir se satisface una relación cuadrática entre amortiguamientos y números de onda. Al igual que en los trabajos anteriores, se ha encontrado que sin importar cuan pequeña es la tasa de crecimiento de la onda inestable existe un dominio paramétrico, en el espacio de fase, donde aparecen oscilaciones caóticas que están ausentes para una tasa de crecimiento nula. Sin embargo diagramas de bifurcación y dominios de estabilidad presentan diferencias con respecto a lo estudiado anteriormente.

Estudio numérico de la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo bajo presión interna

Con este estudio se quiere realizar un análisis numérico sobre la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo (material de Gasser-Ogden- Holzapfel), que mediante una matriz neohookeana reforzada bidireccionalmente con fibras de forma simétrica, simula el colágeno y la elastina que forman las arterias. Para ello, se simula mediante un modelo axilsimétrico de elementos finitos, un cilindro hueco sometido a presión interna y carga axial. Por medio de este modelo se pretende identificar las bifurcaciones que se producen relacionándolas con la formación de aneurismas en enfermedades cardiovasculares. Para corroborar la veracidad de los resultados obtenidos, se debe validar una formulación analítica de la condición de bifurcación para cilindros huecos sometidos al tipo de carga mencionada. Además, a la hora de comenzar el estudio, se analiza la influencia de la variación de algunos de los parámetros mecánicos y geométricos del modelo constitutivo, como pueden ser: la dispersión y la orientación respecto al eje axial de las fibras, el espesor del cilindro y la longitud de éste. Para analizar la propagación de inestabilidades se ha estudiado, sobre una misma geometría, dos materiales que presentan comportamientos distintos. Los resultados muestran como para uno de los materiales se produce abultamiento (bulging) y estricción (necking) y para otro se produce únicamente propagación axial de la inestabilidad.

Análisis mediante cálculo numérico (CFD) del comportamiento de anemómetros de cazoletas = CFD analysis of cup anemometers performance

El presente trabajo consiste en la simulación del flujo aerodinámico alrededor de cazoletas de anemómetros. Para ello se ha utilizado un código numérico o software comercial de análisis numérico de fluidos o CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabajo es un aporte más en la línea de investigación acerca del comportamiento de los anemómetros de cazoletas, que viene llevándose a cabo en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). La primera parte de este proyecto consistió en la realización de simulaciones de tipo estacionarias (esto es, con la cazoleta bajo un cierto ángulo de incidencia con respecto al viento pero sin movimiento de rotación). De esta forma se analiza de forma independiente y asilada la cazoleta en cada una de las diferentes posiciones a lo largo de un giro de 360 grados. Así pues, a varios modelos de cazoleta se les fue variando su posición en incrementos de 10 grados desde de la posición angular inicial q = 0º hasta q = 180º, ya que las cazoletas presentan un comportamiento simétrico. La segunda parte de este proyecto se destinó a la realización de otra serie de simulaciones de tipo no estacionarias. Este tipo de simulaciones se realizaron concretamente a sólo un modelo de cazoleta (cónica no porosa). Estas últimas simulaciones, en concreto nueve, se realizaron variando la velocidad angular de la cazoleta respecto a la velocidad del viento.

Construcción de una maquina de control numérico " CNC" para prototipado rápido de piezas 3D en diferentes polímeros "impresora 3D"

El objetivo principal del presente Proyecto Fin de Carrera es la construcción , montaje y calibración de una impresora 3D auto replicable modelo Prusa Mendel capaz de trabajar en coordenadas polares, lo cual abre las puertas a la investigación de calidades, tolerancias, resistencias estructurales… de estas piezas en comparación con las fabricadas por impresoras cartesianas. Encontraras una guía de montaje paso a paso, además de un listado de todos los componentes, imprimibles y no imprimibles, que componen la impresora 3D. También se analizan y comparan las opciones a la hora de introducir la electrónica necesaria, extrusor y de los posibles errores y soluciones que se pueden encontrar durante la fabricación de una de estas máquinas. Finalmente dispondrás de una guía de calibración de skeinforce 41,para poder conseguir una impresión de gran calidad. Abstract The main objective of this Thesis is the construction, installation and calibration of a self-replicating 3D printer model Prusa Mendel able to work in polar coordinates, which opens the door to research quality, tolerances, these structural resistance ... parts compared to those manufactured by Cartesian printers. In this project you will find a guide step by step assembly, and a list of all components, and 3D printer components printable and unprintable. We also analyze and compare the options when entering the necessary electronics, extruder and possible errors and solutions that may occur during manufacturing of these machines finally have an installation guide calibration skeinforge 41 to get a high quality print