Numerical Error Prediction and its applications in CFD using tau-estimation

Nowadays, Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are widely used within the industry to model fluid flow phenomenons. Several fluid flow model equations have been employed in the last decades to simulate and predict forces acting, for example, on different aircraft configurations. Computational time and accuracy are strongly dependent on the fluid flow model equation and the spatial dimension of the problem considered. While simple models based on perfect flows, like panel methods or potential flow models can be very fast to solve, they usually suffer from a poor accuracy in order to simulate real flows (transonic, viscous). On the other hand, more complex models such as the full Navier- Stokes equations provide high fidelity predictions but at a much higher computational cost. Thus, a good compromise between accuracy and computational time has to be fixed for engineering applications. A discretisation technique widely used within the industry is the so-called Finite Volume approach on unstructured meshes. This technique spatially discretises the flow motion equations onto a set of elements which form a mesh, a discrete representation of the continuous domain. Using this approach, for a given flow model equation, the accuracy and computational time mainly depend on the distribution of nodes forming the mesh. Therefore, a good compromise between accuracy and computational time might be obtained by carefully defining the mesh. However, defining an optimal mesh for complex flows and geometries requires a very high level expertize in fluid mechanics and numerical analysis, and in most cases a simple guess of regions of the computational domain which might affect the most the accuracy is impossible. Thus, it is desirable to have an automatized remeshing tool, which is more flexible with unstructured meshes than its structured counterpart. However, adaptive methods currently in use still have an opened question: how to efficiently drive the adaptation ? Pioneering sensors based on flow features generally suffer from a lack of reliability, so in the last decade more effort has been made in developing numerical error-based sensors, like for instance the adjoint-based adaptation sensors. While very efficient at adapting meshes for a given functional output, the latter method is very expensive as it requires to solve a dual set of equations and computes the sensor on an embedded mesh. Therefore, it would be desirable to develop a more affordable numerical error estimation method. The current work aims at estimating the truncation error, which arises when discretising a partial differential equation. These are the higher order terms neglected in the construction of the numerical scheme. The truncation error provides very useful information as it is strongly related to the flow model equation and its discretisation. On one hand, it is a very reliable measure of the quality of the mesh, therefore very useful in order to drive a mesh adaptation procedure. On the other hand, it is strongly linked to the flow model equation, so that a careful estimation actually gives information on how well a given equation is solved, which may be useful in the context of _ -extrapolation or zonal modelling. The following work is organized as follows: Chap. 1 contains a short review of mesh adaptation techniques as well as numerical error prediction. In the first section, Sec. 1.1, the basic refinement strategies are reviewed and the main contribution to structured and unstructured mesh adaptation are presented. Sec. 1.2 introduces the definitions of errors encountered when solving Computational Fluid Dynamics problems and reviews the most common approaches to predict them. Chap. 2 is devoted to the mathematical formulation of truncation error estimation in the context of finite volume methodology, as well as a complete verification procedure. Several features are studied, such as the influence of grid non-uniformities, non-linearity, boundary conditions and non-converged numerical solutions. This verification part has been submitted and accepted for publication in the Journal of Computational Physics. Chap. 3 presents a mesh adaptation algorithm based on truncation error estimates and compares the results to a feature-based and an adjoint-based sensor (in collaboration with Jorge Ponsín, INTA). Two- and three-dimensional cases relevant for validation in the aeronautical industry are considered. This part has been submitted and accepted in the AIAA Journal. An extension to Reynolds Averaged Navier- Stokes equations is also included, where _ -estimation-based mesh adaptation and _ -extrapolation are applied to viscous wing profiles. The latter has been submitted in the Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. Keywords: mesh adaptation, numerical error prediction, finite volume Hoy en día, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es ampliamente utilizada dentro de la industria para obtener información sobre fenómenos fluidos. La Dinámica de Fluidos Computacional considera distintas modelizaciones de las ecuaciones fluidas (Potencial, Euler, Navier-Stokes, etc) para simular y predecir las fuerzas que actúan, por ejemplo, sobre una configuración de aeronave. El tiempo de cálculo y la precisión en la solución depende en gran medida de los modelos utilizados, así como de la dimensión espacial del problema considerado. Mientras que modelos simples basados en flujos perfectos, como modelos de flujos potenciales, se pueden resolver rápidamente, por lo general aducen de una baja precisión a la hora de simular flujos reales (viscosos, transónicos, etc). Por otro lado, modelos más complejos tales como el conjunto de ecuaciones de Navier-Stokes proporcionan predicciones de alta fidelidad, a expensas de un coste computacional mucho más elevado. Por lo tanto, en términos de aplicaciones de ingeniería se debe fijar un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Una técnica de discretización ampliamente utilizada en la industria es el método de los Volúmenes Finitos en mallas no estructuradas. Esta técnica discretiza espacialmente las ecuaciones del movimiento del flujo sobre un conjunto de elementos que forman una malla, una representación discreta del dominio continuo. Utilizando este enfoque, para una ecuación de flujo dado, la precisión y el tiempo computacional dependen principalmente de la distribución de los nodos que forman la malla. Por consiguiente, un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo se podría obtener definiendo cuidadosamente la malla, concentrando sus elementos en aquellas zonas donde sea estrictamente necesario. Sin embargo, la definición de una malla óptima para corrientes y geometrías complejas requiere un nivel muy alto de experiencia en la mecánica de fluidos y el análisis numérico, así como un conocimiento previo de la solución. Aspecto que en la mayoría de los casos no está disponible. Por tanto, es deseable tener una herramienta que permita adaptar los elementos de malla de forma automática, acorde a la solución fluida (remallado). Esta herramienta es generalmente más flexible en mallas no estructuradas que con su homóloga estructurada. No obstante, los métodos de adaptación actualmente en uso todavía dejan una pregunta abierta: cómo conducir de manera eficiente la adaptación. Sensores pioneros basados en las características del flujo en general, adolecen de una falta de fiabilidad, por lo que en la última década se han realizado grandes esfuerzos en el desarrollo numérico de sensores basados en el error, como por ejemplo los sensores basados en el adjunto. A pesar de ser muy eficientes en la adaptación de mallas para un determinado funcional, este último método resulta muy costoso, pues requiere resolver un doble conjunto de ecuaciones: la solución y su adjunta. Por tanto, es deseable desarrollar un método numérico de estimación de error más asequible. El presente trabajo tiene como objetivo estimar el error local de truncación, que aparece cuando se discretiza una ecuación en derivadas parciales. Estos son los términos de orden superior olvidados en la construcción del esquema numérico. El error de truncación proporciona una información muy útil sobre la solución: es una medida muy fiable de la calidad de la malla, obteniendo información que permite llevar a cabo un procedimiento de adaptación de malla. Está fuertemente relacionado al modelo matemático fluido, de modo que una estimación precisa garantiza la idoneidad de dicho modelo en un campo fluido, lo que puede ser útil en el contexto de modelado zonal. Por último, permite mejorar la precisión de la solución resolviendo un nuevo sistema donde el error local actúa como término fuente (_ -extrapolación). El presenta trabajo se organiza de la siguiente manera: Cap. 1 contiene una breve reseña de las técnicas de adaptación de malla, así como de los métodos de predicción de los errores numéricos. En la primera sección, Sec. 1.1, se examinan las estrategias básicas de refinamiento y se presenta la principal contribución a la adaptación de malla estructurada y no estructurada. Sec 1.2 introduce las definiciones de los errores encontrados en la resolución de problemas de Dinámica Computacional de Fluidos y se examinan los enfoques más comunes para predecirlos. Cap. 2 está dedicado a la formulación matemática de la estimación del error de truncación en el contexto de la metodología de Volúmenes Finitos, así como a un procedimiento de verificación completo. Se estudian varias características que influyen en su estimación: la influencia de la falta de uniformidad de la malla, el efecto de las no linealidades del modelo matemático, diferentes condiciones de contorno y soluciones numéricas no convergidas. Esta parte de verificación ha sido presentada y aceptada para su publicación en el Journal of Computational Physics. Cap. 3 presenta un algoritmo de adaptación de malla basado en la estimación del error de truncación y compara los resultados con sensores de featured-based y adjointbased (en colaboración con Jorge Ponsín del INTA). Se consideran casos en dos y tres dimensiones, relevantes para la validación en la industria aeronáutica. Este trabajo ha sido presentado y aceptado en el AIAA Journal. También se incluye una extensión de estos métodos a las ecuaciones RANS (Reynolds Average Navier- Stokes), en donde adaptación de malla basada en _ y _ -extrapolación son aplicados a perfiles con viscosidad de alas. Este último trabajo se ha presentado en los Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Journal of Aerospace Engineering. Palabras clave: adaptación de malla, predicción del error numérico, volúmenes finitos

Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics

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

Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución constructiva más importante de nuestra época. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia, debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormigón sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo, por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas, siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material. En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles, confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la trayectoria de la fisura. Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales, probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its good mechanical properties, moldability and production economy, among other advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that has become the most important constructive solution of our time. Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are, unfortunately, relatively common. The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on structures and materials are very different than those that cause the loads usually considered in engineering. This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected to explosions. To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from providing a statistically representative number of samples, represents a significant saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used. Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have material constitutive models that take into account the parameters that govern the behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models, confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure. Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require remeshing nor prior knowledge of the crack path. This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns, confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening behavior of concrete.

Improved Integration Methods for P-Adaptive Boundary Element Techniques

Non linear transformations are a good alternative for the numerical evaluation of singular and quasisingular integrals appearing in Boundary Element Method specially in the p-adaptive version. Some aspects of its numerical implementation in 2-D Potential codes is discussed and some examples are shown.

Pulsatile flow in coronary bifurcations for different stenting techniques

The objective of this work is to analyze the local hem odynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of re al configurations. In order to quantify the influence of the stenting technique on the local blood flow, both numeri- cal simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code ANSYS-Fluent, and then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry) obtained in the laboratory are used to validate the numerical simulation. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Second, pulsatile flow is considered to take into account the tran- sient effects. The time averaged wall shear stress, scillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques.

Higher-order regularization and morphological techniques for image segmentation

La segmentación de imágenes es un campo importante de la visión computacional y una de las áreas de investigación más activas, con aplicaciones en comprensión de imágenes, detección de objetos, reconocimiento facial, vigilancia de vídeo o procesamiento de imagen médica. La segmentación de imágenes es un problema difícil en general, pero especialmente en entornos científicos y biomédicos, donde las técnicas de adquisición imagen proporcionan imágenes ruidosas. Además, en muchos de estos casos se necesita una precisión casi perfecta. En esta tesis, revisamos y comparamos primero algunas de las técnicas ampliamente usadas para la segmentación de imágenes médicas. Estas técnicas usan clasificadores a nivel de pixel e introducen regularización sobre pares de píxeles que es normalmente insuficiente. Estudiamos las dificultades que presentan para capturar la información de alto nivel sobre los objetos a segmentar. Esta deficiencia da lugar a detecciones erróneas, bordes irregulares, configuraciones con topología errónea y formas inválidas. Para solucionar estos problemas, proponemos un nuevo método de regularización de alto nivel que aprende información topológica y de forma a partir de los datos de entrenamiento de una forma no paramétrica usando potenciales de orden superior. Los potenciales de orden superior se están popularizando en visión por computador, pero la representación exacta de un potencial de orden superior definido sobre muchas variables es computacionalmente inviable. Usamos una representación compacta de los potenciales basada en un conjunto finito de patrones aprendidos de los datos de entrenamiento que, a su vez, depende de las observaciones. Gracias a esta representación, los potenciales de orden superior pueden ser convertidos a potenciales de orden 2 con algunas variables auxiliares añadidas. Experimentos con imágenes reales y sintéticas confirman que nuestro modelo soluciona los errores de aproximaciones más débiles. Incluso con una regularización de alto nivel, una precisión exacta es inalcanzable, y se requeire de edición manual de los resultados de la segmentación automática. La edición manual es tediosa y pesada, y cualquier herramienta de ayuda es muy apreciada. Estas herramientas necesitan ser precisas, pero también lo suficientemente rápidas para ser usadas de forma interactiva. Los contornos activos son una buena solución: son buenos para detecciones precisas de fronteras y, en lugar de buscar una solución global, proporcionan un ajuste fino a resultados que ya existían previamente. Sin embargo, requieren una representación implícita que les permita trabajar con cambios topológicos del contorno, y esto da lugar a ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que son costosas de resolver computacionalmente y pueden presentar problemas de estabilidad numérica. Presentamos una aproximación morfológica a la evolución de contornos basada en un nuevo operador morfológico de curvatura que es válido para superficies de cualquier dimensión. Aproximamos la solución numérica de la EDP de la evolución de contorno mediante la aplicación sucesiva de un conjunto de operadores morfológicos aplicados sobre una función de conjuntos de nivel. Estos operadores son muy rápidos, no sufren de problemas de estabilidad numérica y no degradan la función de los conjuntos de nivel, de modo que no hay necesidad de reinicializarlo. Además, su implementación es mucho más sencilla que la de las EDP, ya que no requieren usar sofisticados algoritmos numéricos. Desde un punto de vista teórico, profundizamos en las conexiones entre operadores morfológicos y diferenciales, e introducimos nuevos resultados en este área. Validamos nuestra aproximación proporcionando una implementación morfológica de los contornos geodésicos activos, los contornos activos sin bordes, y los turbopíxeles. En los experimentos realizados, las implementaciones morfológicas convergen a soluciones equivalentes a aquéllas logradas mediante soluciones numéricas tradicionales, pero con ganancias significativas en simplicidad, velocidad y estabilidad. ABSTRACT Image segmentation is an important field in computer vision and one of its most active research areas, with applications in image understanding, object detection, face recognition, video surveillance or medical image processing. Image segmentation is a challenging problem in general, but especially in the biological and medical image fields, where the imaging techniques usually produce cluttered and noisy images and near-perfect accuracy is required in many cases. In this thesis we first review and compare some standard techniques widely used for medical image segmentation. These techniques use pixel-wise classifiers and introduce weak pairwise regularization which is insufficient in many cases. We study their difficulties to capture high-level structural information about the objects to segment. This deficiency leads to many erroneous detections, ragged boundaries, incorrect topological configurations and wrong shapes. To deal with these problems, we propose a new regularization method that learns shape and topological information from training data in a nonparametric way using high-order potentials. High-order potentials are becoming increasingly popular in computer vision. However, the exact representation of a general higher order potential defined over many variables is computationally infeasible. We use a compact representation of the potentials based on a finite set of patterns learned fromtraining data that, in turn, depends on the observations. Thanks to this representation, high-order potentials can be converted into pairwise potentials with some added auxiliary variables and minimized with tree-reweighted message passing (TRW) and belief propagation (BP) techniques. Both synthetic and real experiments confirm that our model fixes the errors of weaker approaches. Even with high-level regularization, perfect accuracy is still unattainable, and human editing of the segmentation results is necessary. The manual edition is tedious and cumbersome, and tools that assist the user are greatly appreciated. These tools need to be precise, but also fast enough to be used in real-time. Active contours are a good solution: they are good for precise boundary detection and, instead of finding a global solution, they provide a fine tuning to previously existing results. However, they require an implicit representation to deal with topological changes of the contour, and this leads to PDEs that are computationally costly to solve and may present numerical stability issues. We present a morphological approach to contour evolution based on a new curvature morphological operator valid for surfaces of any dimension. We approximate the numerical solution of the contour evolution PDE by the successive application of a set of morphological operators defined on a binary level-set. These operators are very fast, do not suffer numerical stability issues, and do not degrade the level set function, so there is no need to reinitialize it. Moreover, their implementation is much easier than their PDE counterpart, since they do not require the use of sophisticated numerical algorithms. From a theoretical point of view, we delve into the connections between differential andmorphological operators, and introduce novel results in this area. We validate the approach providing amorphological implementation of the geodesic active contours, the active contours without borders, and turbopixels. In the experiments conducted, the morphological implementations converge to solutions equivalent to those achieved by traditional numerical solutions, but with significant gains in simplicity, speed, and stability.

Application of global numerical procedures to the analysis of shells

Examples of global solutions of the shell equations are presented, such as the ones based on the well known Levy series expansion. Also discussed are some natural extensions of the Levy method as well as the inherent limitations of these methods concerning the shell model assumptions, boundary conditions and geometric regularity. Finally, some open additional design questions are noted mainly related to the simultaneous use in analysis of these global techniques and the local methods (like the finite elements) to finding the optimal shell shape, and to determining the reinforcement layout.

Microstructure-based numerical modeling of the mechanical behavior of Mg alloys

Dentro de los materiales estructurales, el magnesio y sus aleaciones están siendo el foco de una de profunda investigación. Esta investigación está dirigida a comprender la relación existente entre la microestructura de las aleaciones de Mg y su comportamiento mecánico. El objetivo es optimizar las aleaciones actuales de magnesio a partir de su microestructura y diseñar nuevas aleaciones. Sin embargo, el efecto de los factores microestructurales (como la forma, el tamaño, la orientación de los precipitados y la morfología de los granos) en el comportamiento mecánico de estas aleaciones está todavía por descubrir. Para conocer mejor de la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico, es necesaria la combinación de técnicas avanzadas de caracterización experimental como de simulación numérica, a diferentes longitudes de escala. En lo que respecta a las técnicas de simulación numérica, la homogeneización policristalina es una herramienta muy útil para predecir la respuesta macroscópica a partir de la microestructura de un policristal (caracterizada por el tamaño, la forma y la distribución de orientaciones de los granos) y el comportamiento del monocristal. La descripción de la microestructura se lleva a cabo mediante modernas técnicas de caracterización (difracción de rayos X, difracción de electrones retrodispersados, así como con microscopia óptica y electrónica). Sin embargo, el comportamiento del cristal sigue siendo difícil de medir, especialmente en aleaciones de Mg, donde es muy complicado conocer el valor de los parámetros que controlan el comportamiento mecánico de los diferentes modos de deslizamiento y maclado. En la presente tesis se ha desarrollado una estrategia de homogeneización computacional para predecir el comportamiento de aleaciones de magnesio. El comportamiento de los policristales ha sido obtenido mediante la simulación por elementos finitos de un volumen representativo (RVE) de la microestructura, considerando la distribución real de formas y orientaciones de los granos. El comportamiento del cristal se ha simulado mediante un modelo de plasticidad cristalina que tiene en cuenta los diferentes mecanismos físicos de deformación, como el deslizamiento y el maclado. Finalmente, la obtención de los parámetros que controlan el comportamiento del cristal (tensiones críticas resueltas (CRSS) así como las tasas de endurecimiento para todos los modos de maclado y deslizamiento) se ha resuelto mediante la implementación de una metodología de optimización inversa, una de las principales aportaciones originales de este trabajo. La metodología inversa pretende, por medio del algoritmo de optimización de Levenberg-Marquardt, obtener el conjunto de parámetros que definen el comportamiento del monocristal y que mejor ajustan a un conjunto de ensayos macroscópicos independientes. Además de la implementación de la técnica, se han estudiado tanto la objetividad del metodología como la unicidad de la solución en función de la información experimental. La estrategia de optimización inversa se usó inicialmente para obtener el comportamiento cristalino de la aleación AZ31 de Mg, obtenida por laminado. Esta aleación tiene una marcada textura basal y una gran anisotropía plástica. El comportamiento de cada grano incluyó cuatro mecanismos de deformación diferentes: deslizamiento en los planos basal, prismático, piramidal hc+ai, junto con el maclado en tracción. La validez de los parámetros resultantes se validó mediante la capacidad del modelo policristalino para predecir ensayos macroscópicos independientes en diferentes direcciones. En segundo lugar se estudió mediante la misma estrategia, la influencia del contenido de Neodimio (Nd) en las propiedades de una aleación de Mg-Mn-Nd, obtenida por extrusión. Se encontró que la adición de Nd produce una progresiva isotropización del comportamiento macroscópico. El modelo mostró que este incremento de la isotropía macroscópica era debido tanto a la aleatoriedad de la textura inicial como al incremento de la isotropía del comportamiento del cristal, con valores similares de las CRSSs de los diferentes modos de deformación. Finalmente, el modelo se empleó para analizar el efecto de la temperatura en el comportamiento del cristal de la aleación de Mg-Mn-Nd. La introducción en el modelo de los efectos non-Schmid sobre el modo de deslizamiento piramidal hc+ai permitió capturar el comportamiento mecánico a temperaturas superiores a 150_C. Esta es la primera vez, de acuerdo con el conocimiento del autor, que los efectos non-Schmid han sido observados en una aleación de Magnesio. The study of Magnesium and its alloys is a hot research topic in structural materials. In particular, special attention is being paid in understanding the relationship between microstructure and mechanical behavior in order to optimize the current alloy microstructures and guide the design of new alloys. However, the particular effect of several microstructural factors (precipitate shape, size and orientation, grain morphology distribution, etc.) in the mechanical performance of a Mg alloy is still under study. The combination of advanced characterization techniques and modeling at several length scales is necessary to improve the understanding of the relation microstructure and mechanical behavior. Respect to the simulation techniques, polycrystalline homogenization is a very useful tool to predict the macroscopic response from polycrystalline microstructure (grain size, shape and orientation distributions) and crystal behavior. The microstructure description is fully covered with modern characterization techniques (X-ray diffraction, EBSD, optical and electronic microscopy). However, the mechanical behaviour of single crystals is not well-known, especially in Mg alloys where the correct parameterization of the mechanical behavior of the different slip/twin modes is a very difficult task. A computational homogenization framework for predicting the behavior of Magnesium alloys has been developed in this thesis. The polycrystalline behavior was obtained by means of the finite element simulation of a representative volume element (RVE) of the microstructure including the actual grain shape and orientation distributions. The crystal behavior for the grains was accounted for a crystal plasticity model which took into account the physical deformation mechanisms, e.g. slip and twinning. Finally, the problem of the parametrization of the crystal behavior (critical resolved shear stresses (CRSS) and strain hardening rates of all the slip and twinning modes) was obtained by the development of an inverse optimization methodology, one of the main original contributions of this thesis. The inverse methodology aims at finding, by means of the Levenberg-Marquardt optimization algorithm, the set of parameters defining crystal behavior that best fit a set of independent macroscopic tests. The objectivity of the method and the uniqueness of solution as function of the input information has been numerically studied. The inverse optimization strategy was first used to obtain the crystal behavior of a rolled polycrystalline AZ31 Mg alloy that showed a marked basal texture and a strong plastic anisotropy. Four different deformation mechanisms: basal, prismatic and pyramidal hc+ai slip, together with tensile twinning were included to characterize the single crystal behavior. The validity of the resulting parameters was proved by the ability of the polycrystalline model to predict independent macroscopic tests on different directions. Secondly, the influence of Neodymium (Nd) content on an extruded polycrystalline Mg-Mn-Nd alloy was studied using the same homogenization and optimization framework. The effect of Nd addition was a progressive isotropization of the macroscopic behavior. The model showed that this increase in the macroscopic isotropy was due to a randomization of the initial texture and also to an increase of the crystal behavior isotropy (similar values of the CRSSs of the different modes). Finally, the model was used to analyze the effect of temperature on the crystal behaviour of a Mg-Mn-Nd alloy. The introduction in the model of non-Schmid effects on the pyramidal hc+ai slip allowed to capture the inverse strength differential that appeared, between the tension and compression, above 150_C. This is the first time, to the author's knowledge, that non-Schmid effects have been reported for Mg alloys.

Numerical analysis of shell and spatial structures

Since the advent of the computer into the engineering field, the application of the numerical methods to the solution of engineering problems has grown very rapidly. Among the different computer methods of structural analysis the Finite Element (FEM) has been predominantly used. Shells and space structures are very attractive and have been constructed to solve a large variety of functional problems (roofs, industrial building, aqueducts, reservoirs, footings etc). In this type of structures aesthetics, structural efficiency and concept play a very important role. This class of structures can be divided into three main groups, namely continuous (concrete) shells, space frames and tension (fabric, pneumatic, cable etc )structures. In the following only the current applications of the FEM to the analysis of continuous shell structures will be discussed. However, some of the comments on this class of shells can be also applied to some extend to the others, but obviously specific computational problems will be restricted to the continuous shells. Different aspects, such as, the type of elements,input-output computational techniques etc, of the analysis of shells by the FEM will be described below. Clearly, the improvements and developments occurring in general for the FEM since its first appearance in the fifties have had a significative impact on the particular class of structures under discussion.

Some examples of the simultaneous use of closed-form and numerical solutions in shell structural analysis

The computational advantages of the use of different approaches -numerical and analytical ones- to the analysis of different parts of the same shell structure are discussed. Examples of large size problems that can be reduced to those more suitable to be handled by a personal related axisyrometric finite elements, local unaxisymmetric shells, geometric quasi-regular shells, infinite elements and homogenization techniques are described

Low cost 3D global instability analysis and flow sensitivity based on dynamic mode decomposition and high-order numerical tools

We explore the recently developed snapshot-based dynamic mode decomposition (DMD) technique, a matrix-free Arnoldi type method, to predict 3D linear global flow instabilities. We apply the DMD technique to flows confined in an L-shaped cavity and compare the resulting modes to their counterparts issued from classic, matrix forming, linear instability analysis (i.e. BiGlobal approach) and direct numerical simulations. Results show that the DMD technique, which uses snapshots generated by a 3D non-linear incompressible discontinuous Galerkin Navier?Stokes solver, provides very similar results to classical linear instability analysis techniques. In addition, we compare DMD results issued from non-linear and linearised Navier?Stokes solvers, showing that linearisation is not necessary (i.e. base flow not required) to obtain linear modes, as long as the analysis is restricted to the exponential growth regime, that is, flow regime governed by the linearised Navier?Stokes equations, and showing the potential of this type of analysis based on snapshots to general purpose CFD codes, without need of modifications. Finally, this work shows that the DMD technique can provide three-dimensional direct and adjoint modes through snapshots provided by the linearised and adjoint linearised Navier?Stokes equations advanced in time. Subsequently, these modes are used to provide structural sensitivity maps and sensitivity to base flow modification information for 3D flows and complex geometries, at an affordable computational cost. The information provided by the sensitivity study is used to modify the L-shaped geometry and control the most unstable 3D mode.

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.