Simulación numérica de un problema de contaminación atmosférica

La ecuación en derivadas parciales de advección difusión con reacción química es la base de los modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, y los diferentes métodos numéricos empleados para su resolución han sido objeto de amplios estudios a lo largo de su desarrollo. En esta Tesis se presenta la implementación de un nuevo método conservativo para la resolución de la parte advectiva de la ecuación en derivadas parciales que modela la dispersión de contaminantes dentro del modelo mesoescalar de transporte químico CHIMERE. Este método está basado en una técnica de volúmenes finitos junto con una interpolación racional. La ventaja de este método es la conservación exacta de la masa transportada debido al empleo de la ley de conservación de masas. Para ello emplea una formulación de flujo basado en el cálculo de la integral ponderada dentro de cada celda definida para la discretización del espacio en el método de volúmenes finitos. Los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones realizadas (implementando el modelo conservativo para la advección en el modelo CHIMERE) se han comparado con los datos observados de concentración de contaminantes registrados en la red de estaciones de seguimiento y medición distribuidas por la Península Ibérica. Los datos estadísticos de medición del error, la media normalizada y la media absoluta normalizada del error, presentan valores que están dentro de los rangos propuestos por la EPA para considerar el modelo preciso. Además, se introduce un nuevo método para resolver la parte advectivadifusiva de la ecuación en derivadas parciales que modeliza la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Se ha empleado un método de diferencias finitas de alto orden para resolver la parte difusiva de la ecuación de transporte de contaminantes junto con el método racional conservativo para la parte advectiva en una y dos dimensiones. Los resultados obtenidos de la aplicación del método a diferentes situaciones incluyendo casos académicos y reales han sido comparados con la solución analítica de la ecuación de advección-difusión, demostrando que el nuevo método proporciona un resultado preciso para aproximar la solución. Por último, se ha desarrollado un modelo completo que contempla los fenómenos advectivo y difusivo con reacción química, usando los métodos anteriores junto con una técnica de diferenciación regresiva (BDF2). Esta técnica consiste en un método implícito multipaso de diferenciación regresiva de segundo orden, que nos permite resolver los problemas rígidos típicos de la química atmosférica, modelizados a través de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este método hace uso de la técnica iterativa Gauss- Seidel para obtener la solución de la parte implícita de la fórmula BDF2. El empleo de la técnica de Gauss-Seidel en lugar de otras técnicas comúnmente empleadas, como la iteración por el método de Newton, nos proporciona rapidez de cálculo y bajo consumo de memoria, ideal para obtener modelos operativos para la resolución de la cinética química atmosférica. ABSTRACT Extensive research has been performed to solve the atmospheric chemicaladvection- diffusion equation and different numerical methods have been proposed. This Thesis presents the implementation of an exactly conservative method for the advection equation in the European scale Eulerian chemistry transport model CHIMERE based on a rational interpolation and a finite volume algorithm. The advantage of the method is that the cell-integrated average is predicted via a flux formulation, thus the mass is exactly conserved. Numerical results are compared with a set of observation registered at some monitoring sites in Spain. The mean normalized bias and the mean normalized absolute error present values that are inside the range to consider an accurate model performance. In addition, it has been introduced a new method to solve the advectiondiffusion equation. It is based on a high-order accurate finite difference method to solve de diffusion equation together with a rational interpolation and a finite volume to solve the advection equation in one dimension and two dimensions. Numerical results obtained from solving several problems include academic and real atmospheric problems have been compared with the analytical solution of the advection-diffusion equation, showing that the new method give an efficient algorithm for solving such problems. Finally, a complete model has been developed to solve the atmospheric chemical-advection-diffusion equation, adding the conservative method for the advection equation, the high-order finite difference method for the diffusion equation and a second-order backward differentiation formula (BDF2) to solve the atmospheric chemical kinetics. The BDF2 is an implicit, second order multistep backward differentiation formula used to solve the stiff systems of ordinary differential equations (ODEs) from atmospheric chemistry. The Gauss-Seidel iteration is used for approximately solving the implicitly defined BDF solution, giving a faster tool than the more commonly used iterative modified Newton technique. This method implies low start-up costs and a low memory demand due to the use of Gauss-Seidel iteration.

Diseño de receptor de torre central para generación directa de vapor con perfil de potencia variable longitudinal y transversalmente

En este estudio se ha realizado el diseño de un receptor de una central de Torre Central de energía solar para generación directa de vapor, mediante el uso de métodos numéricos, con un perfil de potencia incidente variable longitudinal y transversalmente. Para ello se ha dividido la geometría del receptor según el método de diferencias finitas, y se ha procedido a resolver las ecuaciones del balance de energía. Una vez resuelto el sistema de ecuaciones se dispone de la distribución de temperaturas en el receptor y se puede proceder a analizar los resultados así como a calcular otros datos de interés. ABSTRACT In this study it has been made a Central Receiver Solar Thermal Power Plant’s Receiver design for direct steam production, by using numerical methods, with a variable longitudinally and transversely income solar power profile. With this propose, the receiver’s geometry has been divided using the finite difference method, and the energy balance equations have been solved. Once the equations system has been solved, the receiver´s temperature distribution is known, and you can analyze the results as well as calculate other interesting data.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

An inverse optimization strategy to determine single crystal mechanical behavior from polycrystal tests: Application to AZ31 Mg alloy

An inverse optimization strategy was developed to determine the single crystal properties from experimental results of the mechanical behavior of polycrystals. The polycrystal behavior was obtained by means of the finite element simulation of a representative volume element of the microstructure in which the dominant slip and twinning systems were included in the constitutive equation of each grain. The inverse problem was solved by means of the Levenberg-Marquardt method, which provided an excellent fit to the experimental results. The iterative optimization process followed a hierarchical scheme in which simple representative volume elements were initially used, followed by more realistic ones to reach the final optimum solution, leading to important reductions in computer time. The new strategy was applied to identify the initial and saturation critical resolved shear stresses and the hardening modulus of the active slip systems and extension twinning in a textured AZ31 Mg alloy. The results were in general agreement with the data in the literature but also showed some differences. They were partially explained because of the higher accuracy of the new optimization strategy but it was also shown that the number of independent experimental stress-strain curves used as input is critical to reach an accurate solution to the inverse optimization problem. It was concluded that at least three independent stress-strain curves are necessary to determine the single crystal behavior from polycrystal tests in the case of highly textured Mg alloys.

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.

Evaluación de un forward modelling de ondas sísmicas : aplicación práctica del efecto source ghost

Se ha utilizado un programa de modelización de ondas sísmicas por métodos finitos en dos dimensiones para analizar el efecto Source Ghost en profundidades de 4, 14, 24 y 34 metros. Este efecto se produce cuando se dispara una fuente enterrada y, debido al contacto suelo-aire, se genera una onda reflejada que, en cierto momento, se superpone con la onda principal, produciéndose una disminución de la amplitud de la onda (Source Ghost). Los resultados teóricos del efecto se han comparado con los resultados prácticos del programa de modelización concluyéndose que es posible determinar el rango de frecuencias afectado por el efecto. Sin embargo, la distancia entre receptor y fuente es una nueva variable que desplaza el efecto hacia frecuencias más altas impidiendo su predicción. La utilización de una técnica de procesamiento básica como la corrección del Normal Move-Out (NMO) en el apilado de las trazas, contrarresta la variable distancia receptor-fuente, y por tanto es posible calcular el rango de frecuencias del efecto Source Ghost. Abstract A seismic wave forward modeling in two dimensions using finite-difference method has been used for analyzing the Source Ghost effect at depths between 4-34 meters. A shot from a buried source generates a down going reflection due to the free surface boundary and, at some point, it interferes with the main wave propagation causing a reduction of wave amplitude at some frequency range (Source Ghost). Theoretical results and experimental results provided by the forward modeling are compared for concluding that the forward modeling is able to identify the frequency range affected by the source ghost. Nevertheless, it has been found that the receiver-source distance (offset) is a new variable that modifies the frequency range to make it unpredictable. A basic seismic processing technique, Normal Move-Out (NMO) correction, has been used for a single twenty fold CMP gather. The final stack shows that the processing technique neutralize the offset effect and therefore the forward modeling is still capable to determine the affected frequency range by the source ghost regardless the distance between receiver and source.

Low Work-Function Thermionic Emission and Orbital-Motion-Limited Ion Collection at Bare-Tether Cathodic Contact

Una amarra electrodinámica (electrodynamic tether) opera sobre principios electromagnéticos intercambiando momento con la magnetosfera planetaria e interactuando con su ionosfera. Es un subsistema pasivo fiable para desorbitar etapas de cohetes agotadas y satélites al final de su misión, mitigando el crecimiento de la basura espacial. Una amarra sin aislamiento captura electrones del plasma ambiente a lo largo de su segmento polarizado positivamente, el cual puede alcanzar varios kilómetros de longitud, mientras que emite electrones de vuelta al plasma mediante un contactor de plasma activo de baja impedancia en su extremo catódico, tal como un cátodo hueco (hollow cathode). En ausencia de un contactor catódico activo, la corriente que circula por una amarra desnuda en órbita es nula en ambos extremos de la amarra y se dice que ésta está flotando eléctricamente. Para emisión termoiónica despreciable y captura de corriente en condiciones limitadas por movimiento orbital (orbital-motion-limited, OML), el cociente entre las longitudes de los segmentos anódico y catódico es muy pequeño debido a la disparidad de masas entre iones y electrones. Tal modo de operación resulta en una corriente media y fuerza de Lorentz bajas en la amarra, la cual es poco eficiente como dispositivo para desorbitar. El electride C12A7 : e−, que podría presentar una función de trabajo (work function) tan baja como W = 0.6 eV y un comportamiento estable a temperaturas relativamente altas, ha sido propuesto como recubrimiento para amarras desnudas. La emisión termoiónica a lo largo de un segmento así recubierto y bajo el calentamiento de la operación espacial, puede ser más eficiente que la captura iónica. En el modo más simple de fuerza de frenado, podría eliminar la necesidad de un contactor catódico activo y su correspondientes requisitos de alimentación de gas y subsistema de potencia, lo que resultaría en un sistema real de amarra “sin combustible”. Con este recubrimiento de bajo W, cada segmento elemental del segmento catódico de una amarra desnuda de kilómetros de longitud emitiría corriente como si fuese parte de una sonda cilíndrica, caliente y uniformemente polarizada al potencial local de la amarra. La operación es similar a la de una sonda de Langmuir 2D tanto en los segmentos catódico como anódico. Sin embargo, en presencia de emisión, los electrones emitidos resultan en carga espacial (space charge) negativa, la cual reduce el campo eléctrico que los acelera hacia fuera, o incluso puede desacelerarlos y hacerlos volver a la sonda. Se forma una doble vainas (double sheath) estable con electrones emitidos desde la sonda e iones provenientes del plasma ambiente. La densidad de corriente termoiónica, variando a lo largo del segmento catódico, podría seguir dos leyes distintas bajo diferentes condiciones: (i) la ley de corriente limitada por la carga espacial (space-charge-limited, SCL) o (ii) la ley de Richardson-Dushman (RDS). Se presenta un estudio preliminar sobre la corriente SCL frente a una sonda emisora usando la teoría de vainas (sheath) formada por la captura iónica en condiciones OML, y la corriente electrónica SCL entre los electrodos cilíndricos según Langmuir. El modelo, que incluye efectos óhmicos y el efecto de transición de emisión SCL a emisión RDS, proporciona los perfiles de corriente y potencial a lo largo de la longitud completa de la amarra. El análisis muestra que en el modo más simple de fuerza de frenado, bajo condiciones orbitales y de amarras típicas, la emisión termoiónica proporciona un contacto catódico eficiente y resulta en una sección catódica pequeña. En el análisis anterior, tanto la transición de emisión SCL a RD como la propia ley de emisión SCL consiste en un modelo muy simplificado. Por ello, a continuación se ha estudiado con detalle la solución de vaina estacionaria de una sonda con emisión termoiónica polarizada negativamente respecto a un plasma isotrópico, no colisional y sin campo magnético. La existencia de posibles partículas atrapadas ha sido ignorada y el estudio incluye tanto un estudio semi-analítico mediante técnica asintóticas como soluciones numéricas completas del problema. Bajo las tres condiciones (i) alto potencial, (ii) R = Rmax para la validez de la captura iónica OML, y (iii) potencial monotónico, se desarrolla un análisis asintótico auto-consistente para la estructura de plasma compleja que contiene las tres especies de cargas (electrones e iones del plasma, electrones emitidos), y cuatro regiones espaciales distintas, utilizando teorías de movimiento orbital y modelos cinéticos de las especies. Aunque los electrones emitidos presentan carga espacial despreciable muy lejos de la sonda, su efecto no se puede despreciar en el análisis global de la estructura de la vaina y de dos capas finas entre la vaina y la región cuasi-neutra. El análisis proporciona las condiciones paramétricas para que la corriente sea SCL. También muestra que la emisión termoiónica aumenta el radio máximo de la sonda para operar dentro del régimen OML y que la emisión de electrones es mucho más eficiente que la captura iónica para el segmento catódico de la amarra. En el código numérico, los movimientos orbitales de las tres especies son modelados para potenciales tanto monotónico como no-monotónico, y sonda de radio R arbitrario (dentro o más allá del régimen de OML para la captura iónica). Aprovechando la existencia de dos invariante, el sistema de ecuaciones Poisson-Vlasov se escribe como una ecuación integro-diferencial, la cual se discretiza mediante un método de diferencias finitas. El sistema de ecuaciones algebraicas no lineal resultante se ha resuelto de con un método Newton-Raphson paralelizado. Los resultados, comparados satisfactoriamente con el análisis analítico, proporcionan la emisión de corriente y la estructura del plasma y del potencial electrostático. ABSTRACT An electrodynamic tether operates on electromagnetic principles and exchanges momentum through the planetary magnetosphere, by continuously interacting with the ionosphere. It is a reliable passive subsystem to deorbit spent rocket stages and satellites at its end of mission, mitigating the growth of orbital debris. A tether left bare of insulation collects electrons by its own uninsulated and positively biased segment with kilometer range, while electrons are emitted by a low-impedance active device at the cathodic end, such as a hollow cathode, to emit the full electron current. In the absence of an active cathodic device, the current flowing along an orbiting bare tether vanishes at both ends and the tether is said to be electrically floating. For negligible thermionic emission and orbital-motion-limited (OML) collection throughout the entire tether (electron/ion collection at anodic/cathodic segment, respectively), the anodic-to-cathodic length ratio is very small due to ions being much heavier, which results in low average current and Lorentz drag. The electride C12A7 : e−, which might present a possible work function as low as W = 0.6 eV and moderately high temperature stability, has been proposed as coating for floating bare tethers. Thermionic emission along a thus coated cathodic segment, under heating in space operation, can be more efficient than ion collection and, in the simplest drag mode, may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas-feed requirements and power subsystem, which would result in a truly “propellant-less” tether system. With this low-W coating, each elemental segment on the cathodic segment of a kilometers-long floating bare-tether would emit current as if it were part of a hot cylindrical probe uniformly polarized at the local tether bias, under 2D probe conditions that are also applied to the anodic-segment analysis. In the presence of emission, emitted electrons result in negative space charge, which decreases the electric field that accelerates them outwards, or even reverses it, decelerating electrons near the emitting probe. A double sheath would be established with electrons being emitted from the probe and ions coming from the ambient plasma. The thermionic current density, varying along the cathodic segment, might follow two distinct laws under different con ditions: i) space-charge-limited (SCL) emission or ii) full Richardson-Dushman (RDS) emission. A preliminary study on the SCL current in front of an emissive probe is presented using the orbital-motion-limited (OML) ion-collection sheath and Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects considered and the transition from SCL to full RDS emission is included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission provides efficient cathodic contact and leads to a short cathodic section. In the previous analysis, both the transition between SCL and RDS emission and the current law for SCL condition have used a very simple model. To continue, considering an isotropic, unmagnetized, colissionless plasma and a stationary sheath, the probe-plasma contact is studied in detail for a negatively biased probe with thermionic emission. The possible trapped particles are ignored and this study includes both semianalytical solutions using asymptotic analysis and complete numerical solutions. Under conditions of i) high bias, ii) R = Rmax for ion OML collection validity, and iii) monotonic potential, a self-consistent asymptotic analysis is carried out for the complex plasma structure involving all three charge species (plasma electrons and ions, and emitted electrons) and four distinct spatial regions using orbital motion theories and kinetic modeling of the species. Although emitted electrons present negligible space charge far away from the probe, their effect cannot be neglected in the global analysis for the sheath structure and two thin layers in between the sheath and the quasineutral region. The parametric conditions for the current to be space-chargelimited are obtained. It is found that thermionic emission increases the range of probe radius for OML validity and is greatly more effective than ion collection for cathodic contact of tethers. In the numerical code, the orbital motions of all three species are modeled for both monotonic and non-monotonic potential, and for any probe radius R (within or beyond OML regime for ion collection). Taking advantage of two constants of motion (energy and angular momentum), the Poisson-Vlasov equation is described by an integro differential equation, which is discretized using finite difference method. The non-linear algebraic equations are solved using a parallel implementation of the Newton-Raphson method. The results, which show good agreement with the analytical results, provide the results for thermionic current, the sheath structure, and the electrostatic potential.

Electro y dielectroforesis de nanopartículas por efecto fotovoltaico

El objetivo de esta tesis doctoral es la investigación del nuevo concepto de pinzas fotovoltaicas, es decir, del atrapamiento, ordenación y manipulación de partículas en las estructuras generadas en la superficie de materiales ferroeléctricos mediante campos fotovoltaicos o sus gradientes. Las pinzas fotovoltaicas son una herramienta prometedora para atrapar y mover las partículas en la superficie de un material fotovoltaico de una manera controlada. Para aprovechar esta nueva técnica es necesario conocer con precisión el campo eléctrico creado por una iluminación específica en la superficie del cristal y por encima de ella. Este objetivo se ha dividido en una serie de etapas que se describen a continuación. La primera etapa consistió en la modelización del campo fotovoltaico generado por iluminación no homogénea en substratos y guías de onda de acuerdo al modelo de un centro. En la segunda etapa se estudiaron los campos y fuerzas electroforéticas y dielectroforéticas que aparecen sobre la superficie de substratos iluminados inhomogéneamente. En la tercera etapa se estudiaron sus efectos sobre micropartículas y nanopartículas, en particular se estudió el atrapamiento superficial determinando las condiciones que permiten el aprovechamiento como pinzas fotovoltaicas. En la cuarta y última etapa se estudiaron las configuraciones más eficientes en cuanto a resolución espacial. Se trabajó con distintos patrones de iluminación inhomogénea, proponiéndose patrones de iluminación al equipo experimental. Para alcanzar estos objetivos se han desarrollado herramientas de cálculo con las cuales obtenemos temporalmente todas las magnitudes que intervienen en el problema. Con estas herramientas podemos abstraernos de los complicados mecanismos de atrapamiento y a partir de un patrón de luz obtener el atrapamiento. Todo el trabajo realizado se ha llevado a cabo en dos configuraciones del cristal, en corte X ( superficie de atrapamiento paralela al eje óptico) y corte Z ( superficie de atrapamiento perpendicular al eje óptico). Se ha profundizado en la interpretación de las diferencias en los resultados según la configuración del cristal. Todas las simulaciones y experimentos se han realizado utilizando como soporte un mismo material, el niobato de litio, LiNbO3, con el f n de facilitar la comparación de los resultados. Este hecho no ha supuesto una limitación en los resultados pues los modelos no se limitan a este material. Con respecto a la estructura del trabajo, este se divide en tres partes diferenciadas que son: la introducción (I), la modelización del atrapamiento electroforético y dielectroforético (II) y las simulaciones numéricas y comparación con experimentos (III). En la primera parte se fijan las bases sobre las que se sustentarán el resto de las partes. Se describen los efectos electromagnéticos y ópticos a los que se hará referencia en el resto de los capítulos, ya sea por ser necesarios para describir los experimentos o, en otros casos, para dejar constancia de la no aparición de estos efectos para el caso en que nos ocupa y justificar la simplificación que en muchos casos se hace del problema. En esta parte, se describe principalmente el atrapamiento electroforético y dielectroforético, el efecto fotovoltaico y las propiedades del niobato de litio por ser el material que utilizaremos en experimentos y simulaciones. Así mismo, como no debe faltar en ninguna investigación, se ha analizado el state of the art, revisando lo que otros científicos del campo en el que estamos trabajando han realizado y escrito con el fin de que nos sirva de cimiento a la investigación. Con el capítulo 3 finalizamos esta primera parte describiendo las técnicas experimentales que hoy en día se están utilizando en los laboratorios para realizar el atrapamiento de partículas mediante el efecto fotovoltaico, ya que obtendremos ligeras diferencias en los resultados según la técnica de atrapamiento que se utilice. En la parte I I , dedicada a la modelización del atrapamiento, empezaremos con el capítulo 4 donde modelizaremos el campo eléctrico interno de la muestra, para a continuación modelizar el campo eléctrico, los potenciales y las fuerzas externas a la muestra. En capítulo 5 presentaremos un modelo sencillo para comprender el problema que nos aborda, al que llamamos Modelo Estacionario de Separación de Carga. Este modelo da muy buenos resultados a pesar de su sencillez. Pasamos al capítulo 6 donde discretizaremos las ecuaciones que intervienen en la física interna de la muestra mediante el método de las diferencias finitas, desarrollando el Modelo de Distribución de Carga Espacial. Para terminar esta parte, en el capítulo 8 abordamos la programación de las modelizaciones presentadas en los anteriores capítulos con el fn de dotarnos de herramientas para realizar las simulaciones de una manera rápida. En la última parte, III, presentaremos los resultados de las simulaciones numéricas realizadas con las herramientas desarrolladas y comparemos sus resultados con los experimentales. Fácilmente podremos comparar los resultados en las dos configuraciones del cristal, en corte X y corte Z. Finalizaremos con un último capítulo dedicado a las conclusiones, donde resumiremos los resultados que se han ido obteniendo en cada apartado desarrollado y daremos una visión conjunta de la investigación realizada. ABSTRACT The aim of this thesis is the research of the new concept of photovoltaic or optoelectronic tweezers, i.e., trapping, management and manipulation of particles in structures generated by photovoltaic felds or gradients on the surface of ferroelectric materials. Photovoltaic tweezers are a promising tool to trap and move the particles on the surface of a photovoltaic material in a monitored way. To take advantage of this new technique is necessary to know accurately the electric field created by a specifc illumination in the crystal surface and above it. For this purpose, the work was divided into the stages described below. The first stage consisted of modeling the photovoltaic field generated by inhomogeneous illumination in substrates and waveguides according to the one-center model. In the second stage, electrophoretic and dielectrophoretic fields and forces appearing on the surface of substrates and waveguides illuminated inhomogeneously were studied. In the third stage, the study of its effects on microparticles and nanoparticles took place. In particular, the trapping surface was studied identifying the conditions that allow its use as photovoltaic tweezers. In the fourth and fnal stage the most efficient configurations in terms of spatial resolution were studied. Different patterns of inhomogeneous illumination were tested, proposing lightning patterns to the laboratory team. To achieve these objectives calculation tools were developed to get all magnitudes temporarily involved in the problem . With these tools, the complex mechanisms of trapping can be simplified, obtaining the trapping pattern from a light pattern. All research was carried out in two configurations of crystal; in X section (trapping surface parallel to the optical axis) and Z section (trapping surface perpendicular to the optical axis). The differences in the results depending on the configuration of the crystal were deeply studied. All simulations and experiments were made using the same material as support, lithium niobate, LiNbO3, to facilitate the comparison of results. This fact does not mean a limitation in the results since the models are not limited to this material. Regarding the structure of this work, it is divided into three clearly differentiated sections, namely: Introduction (I), Electrophoretic and Dielectrophoretic Capture Modeling (II) and Numerical Simulations and Comparison Experiments (III). The frst section sets the foundations on which the rest of the sections will be based on. Electromagnetic and optical effects that will be referred in the remaining chapters are described, either as being necessary to explain experiments or, in other cases, to note the non-appearance of these effects for the present case and justify the simplification of the problem that is made in many cases. This section mainly describes the electrophoretic and dielectrophoretic trapping, the photovoltaic effect and the properties of lithium niobate as the material to use in experiments and simulations. Likewise, as required in this kind of researches, the state of the art have been analyzed, reviewing what other scientists working in this field have made and written so that serve as a foundation for research. With chapter 3 the first section finalizes describing the experimental techniques that are currently being used in laboratories for trapping particles by the photovoltaic effect, because according to the trapping technique in use we will get slightly different results. The section I I , which is dedicated to the trapping modeling, begins with Chapter 4 where the internal electric field of the sample is modeled, to continue modeling the electric field, potential and forces that are external to the sample. Chapter 5 presents a simple model to understand the problem addressed by us, which is called Steady-State Charge Separation Model. This model gives very good results despite its simplicity. In chapter 6 the equations involved in the internal physics of the sample are discretized by the finite difference method, which is developed in the Spatial Charge Distribution Model. To end this section, chapter 8 is dedicated to program the models presented in the previous chapters in order to provide us with tools to perform simulations in a fast way. In the last section, III, the results of numerical simulations with the developed tools are presented and compared with the experimental results. We can easily compare outcomes in the two configurations of the crystal, in section X and section Z. The final chapter collects the conclusions, summarizing the results that were obtained in previous sections and giving an overview of the research.

Depth Averaged Models for Fast Landslide Propagation: Mathematical, Rheological and Numerical Aspects

This paper presents an overview of depth averaged modelling of fast catastrophic landslides where coupling of solid skeleton and pore fluid (air and water) is important. The first goal is to show how Biot-Zienkiewicz models can be applied to develop depth integrated, coupled models. The second objective of the paper is to consider a link which can be established between rheological and constitutive models. Perzyna´s viscoplasticity can be considered a general framework within which rheological models such as Bingham and cohesive frictional fluids can be derived. Among the several alternative numerical models, we will focus here on SPH which has not been widely applied by engineers to model landslide propagation. We propose an improvement, based on combining Finite Difference meshes associated to SPH nodes to describe pore pressure evolution inside the landslide mass. We devote a Section to analyze the performance of the models, considering three sets of tests and examples which allows to assess the model performance and limitations: (i) Problems having an analytical solution, (ii) Small scale laboratory tests, and (iii) Real cases for which we have had access to reliable information

Prediction of bendig load capacity of timber beams by finite element method simulation of knots and grain deviation

A finite element model was used to simulate timberbeams with defects and predict their maximum load in bending. Taking into account the elastoplastic constitutive law of timber, the prediction of fracture load gives information about the mechanisms of timber failure, particularly with regard to the influence of knots, and their local graindeviation, on the fracture. A finite element model was constructed using the ANSYS element Plane42 in a plane stress 2D-analysis, which equates thickness to the width of the section to create a mesh which is as uniform as possible. Three sub-models reproduced the bending test according to UNE EN 408: i) timber with holes caused by knots; ii) timber with adherent knots which have structural continuity with the rest of the beam material; iii) timber with knots but with only partial contact between knot and beam which was artificially simulated by means of contact springs between the two materials. The model was validated using ten 45 × 145 × 3000 mm beams of Pinus sylvestris L. which presented knots and graindeviation. The fracture stress data obtained was compared with the results of numerical simulations, resulting in an adjustment error less of than 9.7%

Crack mechanical failure in lithium niobate crystal under ion irradiation; novel simulation by extended finite elements

Swift heavy ion irradiation (ions with mass heavier than 15 and energy exceeding MeV/amu) transfer their energy mainly to the electronic system with small momentum transfer per collision. Therefore, they produce linear regions (columnar nano-tracks) around the straight ion trajectory, with marked modifications with respect to the virgin material, e.g., phase transition, amorphization, compaction, changes in physical or chemical properties. In the case of crystalline materials the most distinctive feature of swift heavy ion irradiation is the production of amorphous tracks embedded in the crystal. Lithium niobate is a relevant optical material that presents birefringence due to its anysotropic trigonal structure. The amorphous phase is certainly isotropic. In addition, its refractive index exhibits high contrast with those of the crystalline phase. This allows one to fabricate waveguides by swift ion irradiation with important technological relevance. From the mechanical point of view, the inclusion of an amorphous nano-track (with a density 15% lower than that of the crystal) leads to the generation of important stress/strain fields around the track. Eventually these fields are the origin of crack formation with fatal consequences for the integrity of the samples and the viability of the method for nano-track formation. For certain crystal cuts (X and Y), these fields are clearly anisotropic due to the crystal anisotropy. We have used finite element methods to calculate the stress/strain fields that appear around the ion-generated amorphous nano-tracks for a variety of ion energies and doses. A very remarkable feature for X cut-samples is that the maximum shear stress appears on preferential planes that form +/-45º with respect to the crystallographic planes. This leads to the generation of oriented surface cracks when the dose increases. The growth of the cracks along the anisotropic crystal has been studied by means of novel extended finite element methods, which include cracks as discontinuities. In this way we can study how the length and depth of a crack evolves as function of the ion dose. In this work we will show how the simulations compare with experiments and their application in materials modification by ion irradiation.