Elementos peatonales de las ciudades medias españolas : tipos, orígenes, relaciones y articulaciones

A través de esta tesis se busca aportar un análisis de los elementos peatonales que cubren las necesidades y las infraestructuras de apoyo al peatón, siendo un campo poco desarrollado en nuestro país a diferencia de otros como Dinamarca, Reino Unido, Alemania y Holanda, donde las actuaciones peatonales ejecutadas son tradicionales y muy exitosas. Se trata por tanto de un tema poco estudiado pero que adquiere singular importancia en estos años de búsqueda de nuevos modelos urbanos que eviten el derroche de recursos, y avancen hacia formas de movilidad más adecuadas a un mundo limitado y vulnerable. La investigación tiene un carácter eminentemente descriptivo cuyo principal valor es documentar y analizar sistemáticamente una realidad poco conocida, aportándose datos para entender el origen y desarrollo de las actuaciones peatonales. El propósito es ayudar a cimentar este campo en nuestro país, definiendo con precisión el estado de la cuestión geográficamente y dejando para un futuro una cartografía temática completa. El objeto general es estudiar y comprender los elementos peatonales de un número limitado de ciudades medias españolas, marcándose como objetivos específicos los siguientes: - Identificar y describir los principales elementos que conforman la red peatonal de las ciudades. ‐ Estudiar las tipologías espaciales dominantes, sus características y orígenes, pudiendo distinguir de un lado, las desarrolladas en la ciudad consolidada, como las actuaciones en los cascos antiguos; y por otro, las ejecutadas en la ciudad nueva a través de fórmulas arquitectónicas generalmente residenciales con espacios peatonales adjuntos. ‐ Analizar los referidos elementos para comprobar si han conformado redes de uso peatonal, si se han constituido articulando la ciudad como en el caso de los ejes lineales en las ciudades con río o mar, o si han influenciado el carácter del entorno en el que se han realizado, centrando el interés en los cascos históricos peatonalizados. ‐ Comprobar si hay actuaciones complementarias a los procesos de urbanización y mejora urbanística, así como la aprobación de ayudas y subvenciones para afrontar las mismas. ‐ Finalmente, describir y evaluar los procesos y procedimientos mediante los que se produce la peatonalización de determinadas áreas urbanas, los orígenes, los instrumentos y fechas de su puesta en marcha, aportando una cronología peatonal. La metodología comienza con la acotación de 22 ciudades españolas, capitales de provincia con una población entre 100.000 y 500.000 habitantes según los datos del INE del año 2009. La distribución es equilibrada con la selección de ciudades de costa, de interior, con río/ría, con carácter patrimonial, ciudades en islas, etc. El análisis de los elementos peatonales de estas urbes se realiza gracias a la gran resolución de las bases cartográficas públicas y privadas que hay en la actualidad en internet, especialmente con el uso de las herramientas de Google Earth y Google Maps en su versión “street view”, softwares que permiten un paseo virtual de cada ciudad detallándose con gran precisión las actuaciones peatonales. Las ciudades elegidas son: ‐ 11 ciudades costeras: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián y Tarragona. ‐ 11 ciudades de interior: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid y Vitoria. Finalmente, por tener los porcentajes mas elevados de las áreas peatonales de sus casco histórico, se eligen 3 casos de ciudades representativas para un desarrollo peatonal en profundidad, seleccionándose Burgos, San Sebastián y Pamplona. Otros aspectos metodológicos interesantes a destacar, es la extensa documentación adquirida a través de las fuentes de Internet, sobre todo a la hora de desarrollar el último capítulo “Procesos de peatonalización de las ciudades españolas” centrado en las 3 ciudades elegidas. Se consulta las hemerotecas de periódicos locales, los boletines oficiales, las actas de los plenos de los Ayuntamientos y los documentos de planificación (Planes Generales, Planes Especiales, Planes y Proyectos Municipales, Planes de Movilidad), adquiriéndose una precisa información en cuanto a la cronología de las fechas y extensión del trabajo. Se complementa la metodología con las entrevistas a actores claves en el proceso peatonal, como el personal técnico de los Ayuntamiento y los técnicos redactores de los proyectos; y con la colaboración directa de los técnicos de los consistorios de las 3 ciudades seleccionadas, aportando todo tipo de información demandada. En la tesis, se introduce los elementos peatonales mediante el estudio de los espacios peatonales y los procesos de peatonalización existentes, a través del análisis de la literatura consultada aportándose información valiosa en cuanto a la definición de los modelos peatonales, exponiéndose una breve historia de las peatonalizaciones. Destacan las publicaciones de los expertos europeos en la materia como los autores Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim, Rob Krier y Collin Buchanan. En España, las actuaciones peatonales fueron tardías en el tiempo en comparación con el resto de Europa, con casi 40 años de retraso. Las referencias bibliográficas españolas en esta materia son escasas siendo las mas significativas las realizadas por Alfonso Sanz y por el profesor Julio Pozueta destacando una de sus últimas publicaciones “La ciudad paseable” describiéndose los elementos peatonales existentes en las ciudades, sirviendo como modelo y ejemplo para esta investigación. En base a lo anterior, se definen los elementos peatonales como aquellos espacios públicos libres de edificación que, por sus características y diseño, garantizan un confortable uso estancial, de tránsito peatonal y están expresamente reservados para ello. En la tesis se detectan y se especifican los siguientes elementos peatonales: las calles y plazas peatonales, las aceras y bulevares de una anchura superior a 8 metros, los paseos peatonales, los elementos de paso (tradicionales y mecánicos), espacios peatonales ligados a nuevas áreas residenciales, los soportales y pasajes peatonales con una anchura mínima de 4 metros, recintos feriales, espacios libres y zonas verdes y parques. Para cada una de las 22 ciudades seleccionadas se realiza un exhaustivo inventario de los anteriores elementos a través de fichas, aportando un gran número de proyectos individuales ejecutados en cada urbe. Esta información se recoge gráficamente en 2 fotoplanos, conformándose como herramientas fundamentales para esta investigación. El Fotoplano 1 se hace sobre la base de la ciudad del Google Earth diferenciándose las áreas peatonales y las zonas verdes. En el Fotoplano 2, y con el soporte anterior, se distinguen las tipologías persistentes y dominantes como son los grandes ejes peatonales, las redes peatonales locales y los elementos peatonales singulares. Finalmente, a partir de los 2 fotoplanos, se realiza la denominada “Huella peatonal” que destaca por su atractivo y pregnancia, algo de lo que el campo de lo peatonal es muy útil. A través de la huella se obtiene una rápida información al tener el plano dos colores, color naranja para lo peatonal (formado por las áreas peatonales y zonas verdes) y color negro para el resto el resto no peatonal. Toda esta documentación gráfica y descriptiva de los elementos peatonales de cada ciudad, queda ampliamente recogida en el Anexo de la tesis. La “Huella peatonal” se considera como el plano básico en la investigación obteniendo una percepción rápida, clara y visual del espacio peatonal de cada ciudad. Se arroja información morfológica con respecto a la distribución espacial, articulación, equilibrio, modulación, cohesión, concentración peatonal, etc. de cada una de las ciudades seleccionadas. A través de la huella se resuelve muchos de las cuestiones enmarcadas como objetivos de la tesis, comprobándose de forma general, que los elementos peatonales dentro de la trama urbana están desarticulados ya que no hay una estructura que module la ciudad como un conjunto cohesionado. Se localizan pequeñas redes conectadas entre sí, que de forma heterogénea, están dispersas por la ciudad. Se verifica que los elementos peatonales con mayor concentración y presencia en las ciudades analizadas son los ejes peatonales, los cascos históricos y los elementos peatonales en las nuevas áreas residenciales. En la investigación, además de estos 3 elementos mencionados, se analiza con mayor profundidad otros tipos que destacan por su persistencia y repetición en la “Huella peatonal” de cada una de las 22 ciudades, como son las plazas peatonales, los soportales y los elementos singulares peatonales: espacios tradicionales (recintos feriales, pasajes, puentes históricos), nuevos elementos peatonales (pasarelas peatonales, elementos mecánicos de paso), áreas peatonales entorno a edificios culturales y otros casos como los consistentes en la recuperación y transformación de edificaciones y construcciones urbanas de diferente uso y tipología, en nuevas áreas peatonales. Se aporta luz sobre su definición, localización, cronología, proporción, presencia y génesis, facilitando resultados de cada uno de ellos. De forma paralela, se obtiene información de índole cuantitativa a través de las mediciones de la huella, obteniéndose datos y porcentajes de extensión de la ciudad, de las zonas peatonales y de las zonas verdes, de los cascos históricos y de sus superficies peatonales, de los metros lineales de dichos cascos históricos y de sus calles peatonales. Se proporcionan ratios e índices que se consideran fundamentales para una mejor comprensión peatonal de cada urbe. Se establece una clasificación de las ciudades en cada uno de los ámbitos descritos, destacando las ciudades de Pamplona, San Sebastián y Burgos por arrojar las cifras peatonales más positivas encabezando la mayoría de las tablas clasificatorias. La peor ciudad valorada es Alicante, seguida según criterio, de Almería, Palma de Mallorca y Las Palmas de GC. En el capítulo final de la investigación, se eligen las ciudades de Burgos, San Sebastián y Pamplona como casos de estudio representativos. El objetivo es obtener un conocimiento más preciso en cuanto a su origen, cronología y procesos de las peatonalizaciones. Cada ciudad se compone de un cuadro cronológicos por etapas, desarrollándose de forma exhaustiva cada una de ellas, enunciadas normalmente, como instrumentos de planeamiento o proyectos de urbanización, acompañadas de los planos de las actuaciones peatonales. Al final de cada etapa se aportan datos de las cifras de las peatonalizaciones que se van realizando, con un cuadro numérico de localizaciones, superficie peatonal, superficie reurbanizada, longitud peatonal y el grado de peatonalización del casco histórico, además de los datos acumulados por etapa. De las conclusiones cruzadas de estas 3 ciudades, destaca la comprobación de la tendencia de ir peatonalizando los centros antiguos llegando incluso al 100% de calles peatonales en el caso de San Sebastián. No obstante, es difícil confirmar si el objetivo es una peatonalización global de los cascos, ya que son muchas las variables que afectan e influyen en el proceso peatonal de cada ciudad. Se coteja adicionalmente cómo se extiende la cultura peatonal desde el interior al exterior, mas allá de los cascos históricos hacia los ensanches próximos. En cuanto al origen de las peatonalizaciones, se concluye que no hay una concepción inicial y teórica marcada, a partir de la cual se va desarrollando la trama peatonal de cada ciudad. Se puede afirmar que los procesos peatonales ejecutados son variados y de diversa índole, sin poder precisar un hecho como causa principal. Según el momento y las circunstancias, las peatonalizaciones responden a distintas iniciativas promovidas por los comerciantes, por las administraciones locales o por los técnicos de planeamiento, con sus expertas aportaciones en los planes. Estos tres agentes actúan como impulsores de proyectos individuales peatonales que se van solapando en el tiempo. Como punto final de la tesis, se propone una serie de nuevas líneas de investigación que pueden servir como estudio adicional y complementario, respondiendo a aspectos tan relevantes como cuestiones de índole económica, social y de movilidad, fuertemente ligadas a las peatonalizaciones, tal y como se demuestra en la literatura consultada. ABSTRACT This thesis aims to analyse the pedestrian elements dealing with the needs and infrastructures that support pedestrians, as this is a field that is little developed in our country, in comparison to other regions such as Denmark, the United Kingdom, Germany and the Netherlands, where the pedestrian actions implemented are traditional and highly successful. Therefore, even though little research has been done about this topic, this field is increasingly important throughout these years of search for urban models intended to prevent the waste of resources and to develop new mobility ways, more adapted to a limited, vulnerable world. This research is essentially descriptive and it mainly aims to document and systematically analysed a scarcely known reality by providing data in order to understand the origin and development of pedestrian actions. This thesis intends to lay the foundations of this field in Spain, accurately defining the state of the art from a geographical point of view and preparing a full thematic map that may be used in the future. The overall aim is to study and understand the pedestrian elements of a limited number of Spanish medium-size cities, establishing the following specific goals: - To identify and describe the main elements comprising cities' pedestrian networks. - To study of special predominant typologies, their features and origins, with the possibility to, on the one hand, make a difference between the typologies developed in well-established cities, such as the actions in historic quarters, and, on the other hand, those implemented in new cities through generally residential architectural formulae with adjoining pedestrian areas. - To analyse the said elements in order to check whether they have resulted in pedestrian-use networks, whether they have been established by organising the city, such as the linear axes in coastal and riverside cities, or whether they have had an impact on the character of the areas where these elements have been implemented, focusing on pedestrian historic quarters. - Check whether there are actions supplementary to the urban development and urban improvement processes, as well as the approval of financial support and subventions to deal with these actions. - Finally, to describe and assess the processes and procedures by which the pedestrianisation of certain urban areas is carried out, the origins, the instruments and the date of their implementation, providing a pedestrian timeline. The methodology starts by defining 22 Spanish cities, province capitals with a population ranging from 100,000 to 500,000 inhabitants, according to the data recorded by the Spanish Statistics Institute (INE) in 2009. The distribution of coastal, riverside and interior cities, as well as of patrimonial cities and cities in islands, etc. is well balanced. The analysis of the pedestrian elements of these cities is made with the great resolution of the public and private map databases that can be accessed on the Internet, especially using the "street-view" version of tools such as Google Earth and Google Maps, software applications that allow to go for a virtual walk in each city, providing highly precise details about the pedestrian actions. The following cities have been chosen: ‐ 11 coastal cities: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián and Tarragona. ‐ 11 interior cities: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid and Vitoria. Finally, as they have the highest percentages regarding the pedestrian areas found in the historic quarters, 3 cities representing a deep pedestrian development have been chosen: Burgos, San Sebastián and Pamplona. Other significant methodological aspects are the many documents found from online sources, especially when preparing the last chapter: “Processes for the pedestrianisation of Spanish cities”, which focuses on the 3 cities chosen. Local newspaper and periodical libraries, official gazettes, the minutes of plenary sessions of councils and the zoning regulation documents (General Zoning Plans, Special Zoning Plans, Municipal Plans and Projects, Mobility Plans, etc.) have been consulted, obtaining accurate information regarding the timeline and the extension of the works carried out. The methodology is supplemented by interviews with key players in the pedestrianisation process, such as the technical staff in councils and the officers drafting and designing the projects, as well as with the direct collaboration by the officers of the councils of the 3 cities chosen, who provided all the information requested. The thesis introduces the pedestrian elements by studying pedestrian areas and existing pedestrianisation processes through the analysis of the literature consulted, providing valuable information for the definition of pedestrian models and showing a brief history and background of the pedestrianisation process. Remarkable papers published by some European experts in the field, such as Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim and Collin Buchanan, are covered in the thesis. In Spain, the pedestrianisation actions were late in time in comparison to the rest of Europe, with at least 40 years of delay. The Spanish literature references in this field are limited. The most significant papers are those published by Alfonso Sanz and by Professor Julio Pozueta, with a special mention of one of his last works "La ciudad paseable" (The Walkable City), which describes the pedestrian elements found in the cities and is used a model and an example for this research. Based on the elements above, pedestrian elements are defined as those construction-free public areas that, due to their features and design, ensure the comfortable, convenient use of the spaces, characterised by pedestrian traffic and specifically reserved for this purpose. The thesis detects and specifies the following pedestrian elements: pedestrian streets and squares, pavements (sidewalks) and boulevards with a width exceeding 8 metres, pedestrian promenades, crossing elements (traditional and mechanical), pedestrian spaces linked to new residential areas, colonnades and pedestrian passages or narrow streets with a minimum width of 4 metres, exhibition sites, free spaces and green areas and parks. For each of the 22 cities chosen, a thorough inventory of the elements mentioned above has been made by using worksheets, providing a significant number of individual projects developed in each city. This information is graphically collected and displayed on 2 photomaps, resulting in tools essential for this research. Photomap 1 is made based on the city displayed by Google Earth, making a difference between pedestrian areas and green areas. On Photomap 2, using the tool mentioned above, a difference can be made between persistent and predominant typologies, such as the big pedestrian axes, the local pedestrian networks and singular pedestrian elements. Finally, the 2 photomaps are used in order to establish the so-called "pedestrian footprint", which is highlighted by its attractiveness and appeal, concepts for which the pedestrian field is very useful. With the pedestrian footprint, quick information can be obtained, since the map shows two colours: orange for pedestrian elements (made up of pedestrian areas and green areas) and black for the other non-pedestrian elements. A significant part of these graphic, descriptive documents about each city's pedestrian elements can be found in the thesis appendix. The "Pedestrian Footprint" is regarded in the research as the basic map, obtaining a quick, clear and visual perception of each city's pedestrian space. This footprint provides morphological information regarding the space distribution, the organisation, the balance, the modulation, the cohesion, the pedestrian concentration, etc. in each of the cities chosen. The pedestrian footprint helps solve many of the questions established as the thesis goals, proving that, in general, the pedestrian elements are not organised in the urban plot, as there is no structure modulating the city as a properly linked set of elements. Small networks linked to each other and heterogeneously scattered all over the city are found. It has been verified that the pedestrian elements with the highest concentration and presence in the cities analysed are the pedestrian axes, the historic quarters and the pedestrian elements found in the new residential areas. Besides these 3 elements mentioned, the research analyses in depth other types that are remarkable due to their persistence and repetition in the "Pedestrian Footprint" of each of the 22 cities, such as the pedestrian squares, the colonnades and the singular pedestrian elements: traditional spaces (exhibition sites, passages, historic bridges), new pedestrian elements (pedestrian footbridges, mechanical crossing elements), pedestrian areas around cultural buildings and other cases such as those consisting of recovering and transforming building and urban constructions, intended for a wide range of purposes and of different types, into new pedestrian areas. This work puts light on the definition, location, timeline, proportion, presence and origin, providing results for each of these concepts. At the same time, quantitative information is obtained by measuring the footprint, getting data and percentages on the size of the city, the pedestrian areas and the green areas, the historic quarters and the pedestrian zones, the linear metres of such historic quarters and pedestrian streets. The footprint also provides ratios and rates that are considered as essential in order to better understand the pedestrian elements of each city. A classification of cities is established for each of the areas described, highlighting the cities of Pamplona, San Sebastián and Burgos, as they provide the most positive pedestrian figures and lead most of the classification tables or rankings. According to the criteria considered, the city with the worst values is Alicante, followed by Almería, Palma de Mallorca and Las Palmas de Gran Canaria. In the final chapter in the thesis, the cities of Burgos, San Sebastián and Pamplona are chosen as representative study cases. The aim is to gain more accurate knowledge regarding the pedestrianisation origin, timeline and processes. Each city comprises a chronological sequence made of stages, each of which is thoroughly developed and usually announced as zoning plans or urban development projects, accompanied by the plans of the pedestrian actions. At the end of each stage, data with the figures of the pedestrianisation projects are provided, including a numerical chart with locations, pedestrian area, redeveloped urban areas, pedestrian length and pedestrianisation degree in the historic quarter, as well as the data cumulated throughout each stage. In the crossed conclusions on the three cities, the trend of gradually pedestrianising the historic quarters (even reaching the 100% of the pedestrian streets as in San Sebastián) is verified. However, it is difficult to confirm whether the purpose is to reach an overall pedestrianisation of the historic quarters, since there are many variables that affect and influence each city's pedestrianisation process. In addition, the spread of the pedestrian culture from the internal areas to the external areas, beyond the historic quarters to the nearby expansion areas, is compared. Regarding the origin of pedestrianisations, the thesis comes to the conclusion that there is no initial or theoretical conception from which each city's pedestrian plot is developed. The pedestrian processes implemented are varied and diverse but no fact can be specified as the main cause. Based on the moment and circumstances, the pedestrianisation processes are due to different initiatives promoted by shopkeepers, by the local administrations or by the zoning officers, with their expert contributions to the plans. These three players promote and drive individual pedestrianisation projects that overlap in the course of time. Finally, new lines of research are put forwards, as they can be taken as an additional study and as a supplement to this research, dealing with aspects as significant as the economic, social and mobility factors, closely linked to the pedestrianisation processes, as proven in the literature consulted.

Coherent structures in statistically-stationary homogeneous shear turbulence

La región cerca de la pared de flujos turbulentos de pared ya está bien conocido debido a su bajo número de Reynolds local y la separación escala estrecha. La región lejos de la pared (capa externa) no es tan interesante tampoco, ya que las estadísticas allí se escalan bien por las unidades exteriores. La región intermedia (capa logarítmica), sin embargo, ha estado recibiendo cada vez más atención debido a su propiedad auto-similares. Además, de acuerdo a Flores et al. (2007) y Flores & Jiménez (2010), la capa logarítmica es más o menos independiente de otras capas, lo que implica que podría ser inspeccionado mediante el aislamiento de otras dos capas, lo que reduciría significativamente los costes computacionales para la simulación de flujos turbulentos de pared. Algunos intentos se trataron después por Mizuno & Jiménez (2013), quien simulan la capa logarítmica sin la región cerca de la pared con estadísticas obtenidas de acuerdo razonablemente bien con los de las simulaciones completas. Lo que más, la capa logarítmica podría ser imitado por otra turbulencia sencillo de cizallamiento de motor. Por ejemplo, Pumir (1996) encontró que la turbulencia de cizallamiento homogéneo estadísticamente estacionario (SS-HST) también irrumpe, de una manera muy similar al proceso de auto-sostenible en flujos turbulentos de pared. Según los consideraciones arriba, esta tesis trata de desvelar en qué medida es la capa logarítmica de canales similares a la turbulencia de cizalla más sencillo, SS-HST, mediante la comparación de ambos cinemática y la dinámica de las estructuras coherentes en los dos flujos. Resultados sobre el canal se muestran mediante Lozano-Durán et al. (2012) y Lozano-Durán & Jiménez (2014b). La hoja de ruta de esta tarea se divide en tres etapas. En primer lugar, SS-HST es investigada por medio de un código nuevo de simulación numérica directa, espectral en las dos direcciones horizontales y compacto-diferencias finitas en la dirección de la cizalla. Sin utiliza remallado para imponer la condición de borde cortante periódica. La influencia de la geometría de la caja computacional se explora. Ya que el HST no tiene ninguna longitud característica externa y tiende a llenar el dominio computacional, las simulaciopnes a largo plazo del HST son ’mínimos’ en el sentido de que contiene sólo unas pocas estructuras media a gran escala. Se ha encontrado que el límite principal es el ancho de la caja de la envergadura, Lz, que establece las escalas de longitud y velocidad de la turbulencia, y que las otras dos dimensiones de la caja debe ser suficientemente grande (Lx > 2LZ, Ly > Lz) para evitar que otras direcciones estando limitado también. También se encontró que las cajas de gran longitud, Lx > 2Ly, par con el paso del tiempo la condición de borde cortante periódica, y desarrollar fuertes ráfagas linealizadas no físicos. Dentro de estos límites, el flujo muestra similitudes y diferencias interesantes con otros flujos de cizalla, y, en particular, con la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. Ellos son exploradas con cierto detalle. Incluyen un proceso autosostenido de rayas a gran escala y con una explosión cuasi-periódica. La escala de tiempo de ruptura es de aproximadamente universales, ~20S~l(S es la velocidad de cizallamiento media), y la disponibilidad de dos sistemas de ruptura diferentes permite el crecimiento de las ráfagas a estar relacionado con algo de confianza a la cizalladura de turbulencia inicialmente isotrópico. Se concluye que la SS-HST, llevado a cabo dentro de los parámetros de cílculo apropiados, es un sistema muy prometedor para estudiar la turbulencia de cizallamiento en general. En segundo lugar, las mismas estructuras coherentes como en los canales estudiados por Lozano-Durán et al. (2012), es decir, grupos de vórticidad (fuerte disipación) y Qs (fuerte tensión de Reynolds tangencial, -uv) tridimensionales, se estudia mediante simulación numérica directa de SS-HST con relaciones de aspecto de cuadro aceptables y número de Reynolds hasta Rex ~ 250 (basado en Taylor-microescala). Se discute la influencia de la intermitencia de umbral independiente del tiempo. Estas estructuras tienen alargamientos similares en la dirección sentido de la corriente a las familias separadas en los canales hasta que son de tamaño comparable a la caja. Sus dimensiones fractales, longitudes interior y exterior como una función del volumen concuerdan bien con sus homólogos de canales. El estudio sobre sus organizaciones espaciales encontró que Qs del mismo tipo están alineados aproximadamente en la dirección del vector de velocidad en el cuadrante al que pertenecen, mientras Qs de diferentes tipos están restringidos por el hecho de que no debe haber ningún choque de velocidad, lo que hace Q2s (eyecciones, u < 0,v > 0) y Q4s (sweeps, u > 0,v < 0) emparejado en la dirección de la envergadura. Esto se verifica mediante la inspección de estructuras de velocidad, otros cuadrantes como la uw y vw en SS-HST y las familias separadas en el canal. La alineación sentido de la corriente de Qs ligada a la pared con el mismo tipo en los canales se debe a la modulación de la pared. El campo de flujo medio condicionado a pares Q2-Q4 encontró que los grupos de vórticidad están en el medio de los dos, pero prefieren los dos cizalla capas alojamiento en la parte superior e inferior de Q2s y Q4s respectivamente, lo que hace que la vorticidad envergadura dentro de las grupos de vórticidad hace no cancele. La pared amplifica la diferencia entre los tamaños de baja- y alta-velocidad rayas asociados con parejas de Q2-Q4 se adjuntan como los pares alcanzan cerca de la pared, el cual es verificado por la correlación de la velocidad del sentido de la corriente condicionado a Q2s adjuntos y Q4s con diferentes alturas. Grupos de vórticidad en SS-HST asociados con Q2s o Q4s también están flanqueadas por un contador de rotación de los vórtices sentido de la corriente en la dirección de la envergadura como en el canal. La larga ’despertar’ cónica se origina a partir de los altos grupos de vórticidad ligada a la pared han encontrado los del Álamo et al. (2006) y Flores et al. (2007), que desaparece en SS-HST, sólo es cierto para altos grupos de vórticidad ligada a la pared asociados con Q2s pero no para aquellos asociados con Q4s, cuyo campo de flujo promedio es en realidad muy similar a la de SS-HST. En tercer lugar, las evoluciones temporales de Qs y grupos de vórticidad se estudian mediante el uso de la método inventado por Lozano-Durán & Jiménez (2014b). Las estructuras se clasifican en las ramas, que se organizan más en los gráficos. Ambas resoluciones espaciales y temporales se eligen para ser capaz de capturar el longitud y el tiempo de Kolmogorov puntual más probable en el momento más extrema. Debido al efecto caja mínima, sólo hay un gráfico principal consiste en casi todas las ramas, con su volumen y el número de estructuras instantáneo seguien la energía cinética y enstrofía intermitente. La vida de las ramas, lo que tiene más sentido para las ramas primarias, pierde su significado en el SS-HST debido a las aportaciones de ramas primarias al total de Reynolds estrés o enstrofía son casi insignificantes. Esto también es cierto en la capa exterior de los canales. En cambio, la vida de los gráficos en los canales se compara con el tiempo de ruptura en SS-HST. Grupos de vórticidad están asociados con casi el mismo cuadrante en términos de sus velocidades medias durante su tiempo de vida, especialmente para los relacionados con las eyecciones y sweeps. Al igual que en los canales, las eyecciones de SS-HST se mueven hacia arriba con una velocidad promedio vertical uT (velocidad de fricción) mientras que lo contrario es cierto para los barridos. Grupos de vórticidad, por otra parte, son casi inmóvil en la dirección vertical. En la dirección de sentido de la corriente, que están advección por la velocidad media local y por lo tanto deforman por la diferencia de velocidad media. Sweeps y eyecciones se mueven más rápido y más lento que la velocidad media, respectivamente, tanto por 1.5uT. Grupos de vórticidad se mueven con la misma velocidad que la velocidad media. Se verifica que las estructuras incoherentes cerca de la pared se debe a la pared en vez de pequeño tamaño. Los resultados sugieren fuertemente que las estructuras coherentes en canales no son especialmente asociado con la pared, o incluso con un perfil de cizalladura dado. ABSTRACT Since the wall-bounded turbulence was first recognized more than one century ago, its near wall region (buffer layer) has been studied extensively and becomes relatively well understood due to the low local Reynolds number and narrow scale separation. The region just above the buffer layer, i.e., the logarithmic layer, is receiving increasingly more attention nowadays due to its self-similar property. Flores et al. (20076) and Flores & Jim´enez (2010) show that the statistics of logarithmic layer is kind of independent of other layers, implying that it might be possible to study it separately, which would reduce significantly the computational costs for simulations of the logarithmic layer. Some attempts were tried later by Mizuno & Jimenez (2013), who simulated the logarithmic layer without the buffer layer with obtained statistics agree reasonably well with those of full simulations. Besides, the logarithmic layer might be mimicked by other simpler sheardriven turbulence. For example, Pumir (1996) found that the statistically-stationary homogeneous shear turbulence (SS-HST) also bursts, in a manner strikingly similar to the self-sustaining process in wall-bounded turbulence. Based on these considerations, this thesis tries to reveal to what extent is the logarithmic layer of channels similar to the simplest shear-driven turbulence, SS-HST, by comparing both kinematics and dynamics of coherent structures in the two flows. Results about the channel are shown by Lozano-Dur´an et al. (2012) and Lozano-Dur´an & Jim´enez (20146). The roadmap of this task is divided into three stages. First, SS-HST is investigated by means of a new direct numerical simulation code, spectral in the two horizontal directions and compact-finite-differences in the direction of the shear. No remeshing is used to impose the shear-periodic boundary condition. The influence of the geometry of the computational box is explored. Since HST has no characteristic outer length scale and tends to fill the computational domain, longterm simulations of HST are ‘minimal’ in the sense of containing on average only a few large-scale structures. It is found that the main limit is the spanwise box width, Lz, which sets the length and velocity scales of the turbulence, and that the two other box dimensions should be sufficiently large (Lx > 2LZ, Ly > Lz) to prevent other directions to be constrained as well. It is also found that very long boxes, Lx > 2Ly, couple with the passing period of the shear-periodic boundary condition, and develop strong unphysical linearized bursts. Within those limits, the flow shows interesting similarities and differences with other shear flows, and in particular with the logarithmic layer of wallbounded turbulence. They are explored in some detail. They include a self-sustaining process for large-scale streaks and quasi-periodic bursting. The bursting time scale is approximately universal, ~ 20S~l (S is the mean shear rate), and the availability of two different bursting systems allows the growth of the bursts to be related with some confidence to the shearing of initially isotropic turbulence. It is concluded that SS-HST, conducted within the proper computational parameters, is a very promising system to study shear turbulence in general. Second, the same coherent structures as in channels studied by Lozano-Dur´an et al. (2012), namely three-dimensional vortex clusters (strong dissipation) and Qs (strong tangential Reynolds stress, -uv), are studied by direct numerical simulation of SS-HST with acceptable box aspect ratios and Reynolds number up to Rex ~ 250 (based on Taylor-microscale). The influence of the intermittency to time-independent threshold is discussed. These structures have similar elongations in the streamwise direction to detached families in channels until they are of comparable size to the box. Their fractal dimensions, inner and outer lengths as a function of volume agree well with their counterparts in channels. The study about their spatial organizations found that Qs of the same type are aligned roughly in the direction of the velocity vector in the quadrant they belong to, while Qs of different types are restricted by the fact that there should be no velocity clash, which makes Q2s (ejections, u < 0, v > 0) and Q4s (sweeps, u > 0, v < 0) paired in the spanwise direction. This is verified by inspecting velocity structures, other quadrants such as u-w and v-w in SS-HST and also detached families in the channel. The streamwise alignment of attached Qs with the same type in channels is due to the modulation of the wall. The average flow field conditioned to Q2-Q4 pairs found that vortex clusters are in the middle of the pair, but prefer to the two shear layers lodging at the top and bottom of Q2s and Q4s respectively, which makes the spanwise vorticity inside vortex clusters does not cancel. The wall amplifies the difference between the sizes of low- and high-speed streaks associated with attached Q2-Q4 pairs as the pairs reach closer to the wall, which is verified by the correlation of streamwise velocity conditioned to attached Q2s and Q4s with different heights. Vortex clusters in SS-HST associated with Q2s or Q4s are also flanked by a counter rotating streamwise vortices in the spanwise direction as in the channel. The long conical ‘wake’ originates from tall attached vortex clusters found by del A´ lamo et al. (2006) and Flores et al. (2007b), which disappears in SS-HST, is only true for tall attached vortices associated with Q2s but not for those associated with Q4s, whose averaged flow field is actually quite similar to that in SS-HST. Third, the temporal evolutions of Qs and vortex clusters are studied by using the method invented by Lozano-Dur´an & Jim´enez (2014b). Structures are sorted into branches, which are further organized into graphs. Both spatial and temporal resolutions are chosen to be able to capture the most probable pointwise Kolmogorov length and time at the most extreme moment. Due to the minimal box effect, there is only one main graph consist by almost all the branches, with its instantaneous volume and number of structures follow the intermittent kinetic energy and enstrophy. The lifetime of branches, which makes more sense for primary branches, loses its meaning in SS-HST because the contributions of primary branches to total Reynolds stress or enstrophy are almost negligible. This is also true in the outer layer of channels. Instead, the lifetime of graphs in channels are compared with the bursting time in SS-HST. Vortex clusters are associated with almost the same quadrant in terms of their mean velocities during their life time, especially for those related with ejections and sweeps. As in channels, ejections in SS-HST move upwards with an average vertical velocity uτ (friction velocity) while the opposite is true for sweeps. Vortex clusters, on the other hand, are almost still in the vertical direction. In the streamwise direction, they are advected by the local mean velocity and thus deformed by the mean velocity difference. Sweeps and ejections move faster and slower than the mean velocity respectively, both by 1.5uτ . Vortex clusters move with the same speed as the mean velocity. It is verified that the incoherent structures near the wall is due to the wall instead of small size. The results suggest that coherent structures in channels are not particularly associated with the wall, or even with a given shear profile.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.