Effect of the pulse trajectory on ultrasonic fluid velocity measurement

In a general situation a non-uniform velocity field gives rise to a shift of the otherwise straight acoustic pulse trajectory between the transmitter and receiver transducers of a sonic anemometer. The aim of this paper is to determine the effects of trajectory shifts on the velocity as measured by the sonic anemometer. This determination has been accomplished by developing a mathematical model of the measuring process carried out by sonic anemometers; a model which includes the non-straight trajectory effect. The problem is solved by small perturbation techniques, based on the relevant small parameter of the problem, the Mach number of the reference flow, M. As part of the solution, a general analytical expression for the deviations of the computed measured speed from the nominal speed has been obtained. The correction terms of both the transit time and of the measured speed are of M 2 order in rotational velocity field. The method has been applied to three simple, paradigmatic flows: one-directional horizontal and vertical shear flows, and mixed with a uniform horizontal flow.

La aportación de la Península Ibérica a la tecnología naval analizada a través de la interpretación de los documentos y la reproducción de los buques descritos en ellos (1570-1620)

El período de la Historia comprendido entre 1570 y 1620 nos ha dejado un importante conjunto de documentos relacionados con la construcción naval en la Península Ibérica. En una época convulsa en la que los reinos de España y Portugal se aglutinaron bajo una misma Corona, surgen una serie de manuscritos, libros y leyes que reflejan la creciente preocupación de la sociedad por el tema naval. Entre sus páginas encontramos las descripciones del proceso constructivo de los buques que sus autores consideraban más significativos para las demandas que se planteaban en ese momento. Este proceso que combinaba generación de formas y construcción del buque provenía de una secular tradición nacida en el Mediterráneo. Mediante reglas geométricas sencillas, el constructor naval trazaba las secciones centrales y el perfil de la nao, quedando los extremos de la misma (hasta más de la mitad de la eslora) a su buen hacer y experiencia. Las herramientas informáticas de generación de superficies mediante NURBs (Non- Uniform Rational B-spline) permiten reconstruir las formas de los navíos reproduciendo con fiabilidad las carenas de los mismos a partir de los documentos de la época. Mediante un estudio detallado de interpretación de los textos y transcribiendo los procesos, llegamos a obtener con un buen grado de precisión las carenas de los buques descritos en sus páginas. A partir de ahí y mediante el análisis cualitativo y cuantitativo de los parámetros obtenidos es posible valorar si las soluciones representadas por los barcos respondían a las preguntas planteadas por sus autores , la influencia de factores externos a la construcción naval tales como las regulaciones del Estado o identificar su relación con el germen y la expansión de la teoría que ha determinado los efectos de la Ciencia en la Arquitectura Naval. Comenzando por la nao veneciana de 1550, heredera de la secular tradición constructiva mediterránea, hasta llegar a las Reales Ordenanzas promulgadas en 1618, se reproducen hasta nueve carenas a partir de otros tantos documentos, se dibujan sus planos de formas y se exportan para su análisis hidrostático. El trabajo requiere la realización de otros estudios en paralelo necesarios para entender aquellos factores que formaron parte del desarrollo tecnológico naval como son, las unidades de medida en uso en los astilleros, los distintos sistemas de arqueo impuestos por la Corona y la representación de los diferentes instrumentos geométricos de modificación de los parámetros de diseño. A lo largo del trabajo se dan respuesta a interrogantes planteados por la arqueología en relación con el desarrollo de la arquitectura naval poniendo en evidencia que durante este período quedaron establecidos los fundamentos teórico-prácticos de lo que más adelante se convirtió en la ciencia de la ingeniería naval y se plantean nuevos retos para aquellos que deseen continuar la apasionante tarea de la investigación científica de nuestra historia. ABSTRACT The period of the History comprised between 1570 and 1620 has left an important set of shipbuilding documents in the Iberian Peninsula. In a turbulent time in which the kingdoms of Spain and Portugal were ruled under the same Crown, manuscripts, books and laws that reflect the growing concern of society for the naval theme arose. We found among their pages shipbuilding process descriptions of the more relevant vessels that responded to claims that arose at that time. This process brought together hull generation and shipbuilding and came from a secular tradition born in the Mediterranean. By means of simple geometric rules, the shipbuilder traced the central sections and profile of the ship, leaving the ends thereof (almost half of the length) to its good performance and experience. 3D computer modelling software by NURBs (Non-Uniform Rational B-spline) surfaces helps to reconstruct ships hulls from contemporary documents. Through a detailed texts interpretation and transcription processes, we manage to reach with a good degree of accuracy the ship hulls described in its pages. From there and through qualitative and quantitative analysis of the parameters obtained we can assess whether the solutions represented by ships gave response to the questions raised by the authors, the influence of external factors such as shipbuilding state regulations or identify their relationship to the origin and expansion of the theory that has determined the effects of Science in Naval Architecture. From the 1550 Venetian nao, inheritor of the secular Mediterranean building tradition, to the Royal Ordinances enacted in 1618, as nine hulls are reproduced, their line drawings are traced and exported for analysis hydrostatic. Further studies are needed to understand the factors that were part of shipbuilding technology development as the units of measure in use in shipyards, the different official regulations for calculating ship tonnage and the different geometric instruments to amend the design parameters. The work gives response to questions raised by archaeology in relation to the development of naval architecture highlighting that during this period were established the theoretical and practical foundations of what later became the science of naval engineering and raising new challenges for those wishing to continue the exciting task of scientific research of our History.

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

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

On sonic anemometer measurement theory

In this paper a model for the measuring process of sonic anemometers (ultrasound pulse based) is presented. The differential equations that describe the travel of ultrasound pulses are solved in the general case of non-steady, non-uniform atmospheric flow field. The concepts of instantaneous line-average and travelling pulse-referenced average are established and employed to explain and calculate the differences between the measured turbulent speed (travelling pulse-referenced average) and the line-averaged one. The limit k1l=1 established by Kaimal in 1968, as the maximum value which permits the neglect of the influence of the sonic measuring process on the measurement of turbulent components is reviewed here. Three particular measurement cases are analysed: A non-steady, uniform flow speed field, a steady, non-uniform flow speed field and finally an atmospheric flow speed field. In the first case, for a harmonic time-dependent flow field, Mach number, M (flow speed to sound speed ratio) and time delay between pulses have revealed themselves to be important parameters in the behaviour of sonic anemometers, within the range of operation. The second case demonstrates how the spatial non-uniformity of the flow speed field leads to an influence of the finite transit time of the pulses (M≠0) even in the absence of non-steady behaviour of the wind speed. In the last case, a model of the influence of the sonic anemometer processes on the measurement of wind speed spectral characteristics is presented. The new solution is compared to the line-averaging models existing in the literature. Mach number and time delay significantly distort the measurement in the normal operational range. Classical line averaging solutions are recovered when Mach number and time delay between pulses go to zero in the new proposed model. The results obtained from the mathematical model have been applied to the calculation of errors in different configurations of practical interest, such as an anemometer located on a meteorological mast and the transfer function of a sensor in an atmospheric wind. The expressions obtained can be also applied to determine the quality requirements of the flow in a wind tunnel used for ultrasonic anemometer calibrations.

Analysis of the behavior of multijunction solar cells under high irradiance Gaussian light profiles showing chromatic aberration with emphasis on tunnel junction performance

In this work, we explain the behavior of multijunction solar cells under non-uniform (spatially and in spectral content) light profiles in general and in particular when Gaussian light profiles cause a photo-generated current density, which exceeds locally the peak current density of the tunnel junction. We have analyzed the implications on the tunnel junction's limitation, that is, in the loss of efficiency due to the appearance of a dip in the I–V curve. For that, we have carried out simulations with our three-dimensional distributed model for multijunction solar cells, which contemplates a full description of the tunnel junction and also takes into account the lateral resistances in the tunnel junction. The main findings are that the current density photo-generated spreads out through the lateral resistances of the device, mainly through the tunnel junction layers and the back contact. Therefore, under non-uniform light profiles these resistances are determinant not only to avoid the tunnel junction's limitation but also for mitigating losses in the fill factor. Therefore, taking into account these lateral resistances could be the key for jointly optimizing the concentrator photovoltaic system (concentrator optics, front grid layout and semiconductor structure)

Transition from isentropic to isothermal expansion in laser produced plasma

The transition that the expansion flow of laser-produced plasmas experiences when one moves from long, low intensity pulses (temperature vanishing at the isentropic plasma-vacuum front,lying at finite distance) to short, intense ones (non-zero, uniform temperature at the plasma-vacuum front, lying at infinity) is studied. For plznar geometry and lqge ion number Z, the transition occurs for dq5/dt=0.14(27/8)k712Z’1zn$/m4f, 12nK,,; mi, and K are laser intensity, critical density,ion mass, and Spitzer’s heat conduction coefficient. This result remains valid for finite Zit,h ough the numerical factor in d$/dt is different. Shorter wavelength lasers and higher 4 plasmas allow faster rising pulses below transition.

Non-Maxwellian electron distributions in time-dependent simulations of low-Z materials illuminated by a high-intensity X-ray laser

The interaction of high intensity X-ray lasers with matter is modeled. A collisional-radiative timedependent module is implemented to study radiation transport in matter from ultrashort and ultraintense X-ray bursts. Inverse bremsstrahlung absorption by free electrons, electron conduction or hydrodynamic effects are not considered. The collisional-radiative system is coupled with the electron distribution evolution treated with a Fokker-Planck approach with additional inelastic terms. The model includes spontaneous emission, resonant photoabsorption, collisional excitation and de-excitation, radiative recombination, photoionization, collisional ionization, three-body recombination, autoionization and dielectronic capture. It is found that for high densities, but still below solid, collisions play an important role and thermalization times are not short enough to ensure a thermal electron distribution. At these densities Maxwellian and non-Maxwellian electron distribution models yield substantial differences in collisional rates, modifying the atomic population dynamics.

Development of an Elevated Temperature Loop Heat Pipe for Space Applications and Investigation of Non Condensable Gas Impact on its Performance

Un caloducto en bucle cerrado o Loop Heat Pipe (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor cuyo principio de operación se basa en la evaporación/condensación de un fluido de trabajo, que es bombeado a través de un circuito cerrado gracias a fuerzas de capilaridad. Gracias a su flexibilidad, su baja masa y su mínimo (incluso nulo) consumo de potencia, su principal aplicación ha sido identificada como parte del subsistema de control térmico de vehículos espaciales. En el presente trabajo se ha desarrollado un LHP capaz de funcionar eficientemente a temperaturas de hasta 125 oC, siguiendo la actual tendencia de los equipos a bordo de satélites de incrementar su temperatura de operación. En la selección del diseño optimo para dicho LHP, la compatibilidad entre materiales y fluido de trabajo se identificó como uno de los puntos clave. Para seleccionar la mejor combinación, se llevó a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte, además de un estudio especifico que incluía el desarrollo de un banco de ensayos de compatibilidad. Como conclusión, la combinación seleccionada como la candidata idónea para ser integrada en el LHP capaz de operar hasta 125 oC fue un evaporador de acero inoxidable, líneas de titanio y amoniaco como fluido de trabajo. En esa línea se diseñó y fabricó un prototipo para ensayos y se desarrolló un modelo de simulación con EcosimPro para evaluar sus prestaciones. Se concluyó que el diseño era adecuado para el rango de operación definido. La incompatibilidad entre el fluido de trabajo y los materiales del LHP está ligada a la generación de gases no condensables. Para un estudio más detallado de los efectos de dichos gases en el funcionamiento del LHP se analizó su comportamiento con diferentes cantidades de nitrógeno inyectadas en su cámara de compensación, simulando un gas no condensable formado en el interior del dispositivo. El estudio se basó en el análisis de las temperaturas medidas experimentalmente a distintos niveles de potencia y temperatura de sumidero o fuente fría. Adicionalmente, dichos resultados se compararon con las predicciones obtenidas por medio del modelo en EcosimPro. Las principales conclusiones obtenidas fueron dos. La primera indica que una cantidad de gas no condensable más de dos veces mayor que la cantidad generada al final de la vida de un satélite típico de telecomunicaciones (15 años) tiene efectos casi despreciables en el funcionamiento del LHP. La segunda es que el principal efecto del gas no condensable es una disminución de la conductancia térmica, especialmente a bajas potencias y temperaturas de sumidero. El efecto es más significativo cuanto mayor es la cantidad de gas añadida. Asimismo, durante la campaña de ensayos se observó un fenómeno no esperado para grandes cantidades de gas no condensable. Dicho fenómeno consiste en un comportamiento oscilatorio, detectado tanto en los ensayos como en la simulación. Este efecto es susceptible de una investigación más profunda y los resultados obtenidos pueden constituir la base para dicha tarea. ABSTRACT Loop Heat Pipes (LHPs) are heat transfer devices whose operating principle is based on the evaporation/condensation of a working fluid, and which use capillary pumping forces to ensure the fluid circulation. Thanks to their flexibility, low mass and minimum (even null) power consumption, their main application has been identified as part of the thermal control subsystem in spacecraft. In the present work, an LHP able to operate efficiently up to 125 oC has been developed, which is in line with the current tendency of satellite on-board equipment to increase their operating temperatures. In selecting the optimal LHP design for the elevated temperature application, the compatibility between the materials and working fluid has been identified as one of the main drivers. An extensive literature review and a dedicated trade-off were performed, in order to select the optimal combination of fluids and materials for the LHP. The trade-off included the development of a dedicated compatibility test stand. In conclusion, the combination of stainless steel evaporator, titanium piping and ammonia as working fluid was selected as the best candidate to operate up to 125 oC. An LHP prototype was designed and manufactured and a simulation model in EcosimPro was developed to evaluate its performance. The first conclusion was that the defined LHP was suitable for the defined operational range. Incompatibility between the working fluid and LHP materials is linked to Non Condensable Gas (NCG) generation. Therefore, the behaviour of the LHP developed with different amounts of nitrogen injected in its compensation chamber to simulate NCG generation, was analyzed. The LHP performance was studied by analysis of the test results at different temperatures and power levels. The test results were also compared to simulations in EcosimPro. Two additional conclusions can be drawn: (i) the effects of an amount of more than two times the expected NCG at the end of life of a typical telecommunications satellite (15 years) is almost negligible on the LHP operation, and (ii) the main effect of the NCG is a decrease in the LHP thermal conductance, especially at low temperatures and low power levels. This decrease is more significant with the progressive addition of NCG. An unexpected phenomenon was observed in the LHP operation with large NCG amounts. Namely, an oscillatory behaviour, which was observed both in the tests and the simulation. This effect provides the basis for further studies concerning oscillations in LHPs.

Optimal laser intensity profiles for a uniform target illumination in direct-drive inertial confinement fusion

A numerical method providing the optimal laser intensity profiles for a direct-drive inertial confinement fusion scheme has been developed. The method provides an alternative approach to phase-space optimization studies, which can prove computationally expensive. The method applies to a generic irradiation configuration characterized by an arbitrary number NB of laser beams provided that they irradiate the whole target surface, and thus goes beyond previous analyses limited to symmetric configurations. The calculated laser intensity profiles optimize the illumination of a spherical target. This paper focuses on description of the method, which uses two steps: first, the target irradiation is calculated for initial trial laser intensities, and then in a second step the optimal laser intensities are obtained by correcting the trial intensities using the calculated illumination. A limited number of example applications to direct drive on the Laser MegaJoule (LMJ) are described.

Use of DFOT Heat Pulse Method ForWetting Pattern Determination in Drip Irrigation Emitters

Although there are numerous accurate measuring methods to determine soil moisture content in a spot, until very recently there were no precise in situ and in real time methods that were able to measure soil moisture content along a line. By means of the Distributed Fiber Optic Temperature Measurement method or DFOT, the temperature in 0.12 m intervals and long distances (up to 10,000 m) with a high time frequency and an accuracy of +0.2º C is determined. The principle of temperature measurement along a fiber optic cable is based on the thermal sensitivity of the relative intensities of backscattered photons that arise from collisions with electrons in the core of the glass fiber. A laser pulse, generated by the DTS unit, traversing a fiber optic cable will result in backscatter at two frequencies. The DTS quantifies the intensity of these backscattered photons and elapsed time between the pulse and the observed returned light. The intensity of one of the frequencies is strongly dependent on the temperature at the point where the scattering process occurred. The computed temperature is attributed to the position along the cable from which the light was reflected, computed from the time of travel for the light.

Statistical Machine Learning for Automatic Assessment of Physical Activity Intensity Using Multi-axial Accelerometry and Heart Rate

This work explores the automatic recognition of physical activity intensity patterns from multi-axial accelerometry and heart rate signals. Data collection was carried out in free-living conditions and in three controlled gymnasium circuits, for a total amount of 179.80 h of data divided into: sedentary situations (65.5%), light-to-moderate activity (17.6%) and vigorous exercise (16.9%). The proposed machine learning algorithms comprise the following steps: time-domain feature definition, standardization and PCA projection, unsupervised clustering (by k-means and GMM) and a HMM to account for long-term temporal trends. Performance was evaluated by 30 runs of a 10-fold cross-validation. Both k-means and GMM-based approaches yielded high overall accuracy (86.97% and 85.03%, respectively) and, given the imbalance of the dataset, meritorious F-measures (up to 77.88%) for non-sedentary cases. Classification errors tended to be concentrated around transients, what constrains their practical impact. Hence, we consider our proposal to be suitable for 24 h-based monitoring of physical activity in ambulatory scenarios and a first step towards intensity-specific energy expenditure estimators

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

Optimizing rabbit production under heat stress: cage density and cage size during fattening, and breeding system and water quality on rabbit does

The aim of this work was to evaluate different management strategies to optimize rabbit production under chronic heat stress. To achieve it, three trials were conducted. In the first trial, to find the optimal cage density in tropical very dry forest condition, were measured growth performance, mortality rate, injured animals and carcass performance over an initial population of 300 cross-breed rabbits of New Zealand, California, Butterfly, Dutch and Satin, weaned at 30 days (535 ± 8 g, standard error). Treatments evaluated were: 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2 (3, 6, 9 and 12 rabbits/cage, respectively, each cage of 0.5 m2). The maximal temperature-humidity index indicated a severe heat stress from weaning to 2.2 kg body weight (experimental time). At the end of experimental period 10, 20, 30 and 30 rabbits from the treatments of 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2, respectively, were slaughtered and carcass performance recorded. Average daily gain and feed intake decreased by 0.31 ± 0.070 and 1.20 ± 0.25 g, respectively, per each unit that the density increased at the beginning of the experiment (P = 0.001). It increased the length of the fattening period by 0.91 ± 0.16 d (P = 0.001) per each unit of increment of density. However, rabbit production (kg/m2) increased linear and quadratically with the density (P < 0.008). Animals housed at the highest density compared to the lower one tended to show a higher incidence of ringworm (68.9 vs 39.4%; P = 0.075), injured animals (16.8 vs 3.03%; P = 0.12) and mortality (20.5 vs 9.63%; P = 0.043). The proportion of scapular fat (P = 0.042) increased linearly with increasing levels of density. Increasing density reduced linearly dorsal length (P = 0.001), and reduced linear and quadratically drip loss percentage (P = 0.097 and 0.018, respectively). In the second trial, 46 nulliparous rabbit does (23 clipped and 23 unclipped) with a BW of 3.67 ± 0.05 kg (s.e.) were used to evaluate heat stress and circadian rhythms comparing unclipped and clipped rabbit does, and to study if a more extensive breeding system increase litters performance at weaning without impairing rabbit doe performance,. Rectal temperature, feed and water 4 intake were recorded for 24 h. Rabbit does were mated 7 d after circadian measurements, and randomly assigned to two breeding systems. Control (C): mated at 14 d after parturition + litter weaned at 35 d of age. Extensive (E): mate at 21 after parturition + litter weaned at 42 d of age. The first three cycles were evaluated concerning to rabbit doe and litter performance. Two hundred twenty eight weaned rabbits, were divided into two cage sizes: 0.5 and 0.25 m2 with same density (16 rabbit/m2) and growing performance was recorded. Farm and rectal temperatures were minimal and feed and water intake maximal during the night (P < 0.001). Unclipped rabbit does showed higher rectal temperature (P = 0.045) and lower feed intake respect to clipped does (P = 0.019) which suggest a lower heat stress in the latter. Kits weaned per litter was reduced by 33% (P=0.038) in C group. This reduction was more important in the 2nd and 3rd cycles compared to the first (P ≤ 0.054). Rabbit doe feed efficiency tended to decrease in E respect C group (P = 0.093), whereas it was impaired from the first to the third cycle by 48% (P = 0.014). Growing rabbits from the E group were heavier at weaning (by 38%. P < 0.001), showed a higher feed intake (+7.4%) and lower feed efficiency (-8.4%) throughout the fattening period (P ≤ 0.056) respect to C group. Cage size had minor influence in growing performance. In the third trial, forty five non pregnant and non lactating rabbit does (21 nulliparous and 24 multiparous) were assigned randomly to farm water and to potable water to study if a water quality improvement can affect positively rabbit doe response to heat stress during pregnancy and lactation. A transponder was implanted in each animal to record subcutaneous temperature at 07:30 and 14:30 h. Experimental period extended from pregnancy (with no lactation) to the next lactation (until day 28). Body temperature and milk production were recorded daily, and body condition, feed and water intake weekly. Water quality did not affect any trait (P ≥ 0.15). Pregnant rabbit does were classified as does that weaned (W: 47%), not weaned (NW: 44%) or those pregnant that did not deliver (NB: 9%). Body temperature and feed intake decreased during pregnancy (P ≤ 0.031), but water intake remained constant. In this period body temperature decreased with metabolic weight (P ≤ 0.009). In W and NW does, 5 from mating to birth energy and protein balance impaired (P≤0.011). Body temperature of W does tended to be the lowest (P ≤ 0.090). Pregnancy length and total number of kits born tended to be longer and higher in NW than in W does (P = 0.10 and 0.053, respectively). Kit mortality at birth and from birth to 14 d of lactation was high, being worse for NW than for W does (97 vs. 40%; P<0.001). Body temperature during lactation was maximal at day 12, and milk production increased it (P ≤ 0.025). . In conclusion, in our heat stress conditions densities higher than 18 rabbits/m2 (34 kg/m2) at the end of fattening, are not recommended despite cage size, gestation and lactation productivity impaired not only when lactation is extended and along successive reproductive cycles but also due to a reduced embryo/kit survival and finally water quality improvement did not attenuate negative effect of heat stress. RESUMEN El propósito de éste trabajo fue evaluar diferentes estrategias de manejo para optimizar la producción de conejos bajo estrés térmico. Para lo cual se desarrollaron tres experimentos. En el primer experimento, para encontrar el número óptimo de gazapos por m2 de jaula durante el cebo en condiciones de bosque muy seco tropical, se estudiaron los rendimientos durante el cebo, mortalidad, animales lesionados y rendimiento de la canal sobre una población inicial de 300 conejos mestizos de Nueva Zelanda, California, Mariposa, Holandés y Satin, destetados a los 30 días de edad (535 ± 8g, error estándar). Los tratamientos evaluados fueron: 6, 12, 18 y 24 conejos/m2 (3, 6, 9 y 12 conejos/jaula, respectivamente, en jaulas de 0.5 m2). Durante el período experimental (destete a 2.2 kg de peso vivo), se observaron valores de THI correspondientes con un estrés térmico severo (THI max. De 31 a 35). Al final del período experimental, 10, 20, 30, y 30 conejos de los tratamientos con densidades de 6, 12, 18 y 24 conejos/m2, respectivamente, fueron sacrificados y su canal fue valorada. El promedio de la ganancia diaria y el consumo de alimento disminuyeron en 0.31 ± 0.070 y 1.20 ± 0.25 g, respectivamente, por cada unidad de incremento en la densidad al inicio del experimento (P=0.001). Esto alargó el período de engorde en 0.91 ± 0.16 d (P=0.001) por cada unidad de incremento de la densidad. Sin embargo, la producción de conejos (kg/m2) aumentó lineal y cuadráticamente con la densidad (P<0.008). Los animales alojados en las mayores densidades en comparación con el resto tendieron a mostrar una mayore incidencia de tiña (68.9 vs 39.4%; P=0.075), de cantidad de animales heridos (16.8 vs 3.03%; P=0.12), así como de mortalidad (20.5 vs 9.63%; P=0.043). El aumento en la densidad aumentó linealmente la proporción de grasa escapular (P=0.042) y redujo linealmente la longitud dorsal (P=0.001), y lineal y cuadráticamente el porcentaje de pérdida por goteo (P=0.018). En el segundo experimento, 46 conejas nulliparas (23 rasuradas y 23 no rasuradas) con un peso vivo de 3.67 ± 0.05 kg (e.e.) fueron usadas para evaluar el estrés 8 térmico y los ritmos circadianos comparando conejas rasuradas o no, y estudiar si un sistema de crianza más extensivo mejora el desempeño de la camada al destete sin perjudicar la productividad de la coneja. Durante 24 h se midió la temperatura rectal, consumo de alimento y de agua. Las conejas fueron montadas 7 días después, y distribuidas en dos sistemas de crianza. El control (C): monta a 14 días posparto y destete a 35 d de edad. El extensivo (E): monta a 21 días posparto y destete a 42 d de edad. Se controló la productividad de la coneja y la camada durante los tres primeros ciclos. Doscientos veintiocho gazapos fueron distribuidos en dos tamaños de jaulas (0.5 y 0.25 m2) con la misma densidad (16 conejos/m2) y se controlaron sus rendimientos productivos. Durante la noche se observaron los valores mínimos para la temperatura ambiental y rectal, y los máximos para consumo de alimento y agua (P< 0.001). Las conejas no rasuradas mostraron mayor temperatura rectal (P=0.045) y menores valores de consumo de alimento con respecto a las conejas rasuradas (P=0.019), lo que sugiere un menor estrés térmico en las últimas. El número de gazapos destetados por camada se redujo en 33% (P=0.038) en el grupo C. Este comportamiento se acentuó en el 2do y 3er ciclo en comparación con el primero (P≤0.054). La eficiencia alimenticia de las conejas tendió a disminuir en el grupo E con respecto al grupo C (P=0.093), dicha tendencia se acentúa del primer al tercer ciclo en un 48% (P=0.014). Los gazapos en fase de crecimiento provenientes del grupo E fueron más pesados al momento del destete (en 38% P<0.001), mostrando un mayor consumo de alimento (+7.4%) y menor eficiencia alimenticia (-8.4%) a lo largo del engorde (P≤0.056) con respecto al grupo C. El tamaño de la jaula tuvo una mínima influencia en el comportamiento durante el crecimiento de éstos gazapos. En el tercer experimento, cuarenta y cinco conejas no gestantes ni lactantes (21 nulíparas y 24 multíparas) se les asignó al azar agua dos tipos de agua: común de la granja y agua potable, con el fin de estudiar si una mejora en la calidad del agua puede afectar positivamente la respuesta de la coneja al estrés térmico durante la gestación y la lactancia. Se les implantó un transponder para registrar la temperatura subcutánea a las 7:30 y a las 14:30 h. El período experimental se extendió desde la gestación (sin 9 lactancia) hasta la lactanción consecutiva (hasta los 28 días). La temperatura corporal y la producción de leche se controlaron diariamente, y la condición corporal, consumo de agua y alimento, semanalmente. La calidad del agua no afectó a ninguna variable (P≥0.15). Las conejas preñadas fueron clasificadas como conejas que destetaron (W: 47%), que no destetaron (NW:44%) o aquellas que no parieron (NB: 9%). La temperatura corporal y consumo de alimento disminuyeron durante la gestación (P≤0.031), mientras que el consumo de agua se mantuvo constante. La temperatura corporal descendió con el peso metabólico durante la gestación (P≤0.009). El balance de energía y proteína disminuyó desde la monta al parto para las conejas W y NW (P≤0.011). Durante la gestación la temperatura corporal tendió a ser menor en las conejas W (P≤0.090). La longitud de la gestación y el número total de gazapos nacidos tendieron a ser mayores en conejas NW que en conejas W (P=0.10 y 0.053, respectivamente). La mortalidad de los gazapos al parto y del parto a los 14 días de lactancia fue alta, siendo peor para las conejas NW que para las W (97 vs 40%; P<0.001). Durante la lactancia la temperatura corporal alcanzó su valor máximo para el día 12, y la producción de leche indujo un incremento en la misma (P≤0.025). En conclusión, en nuestras condiciones de estrés térmico y sin importar el tamaño de la jaula, no se recomiendan densidades mayores a 18 conejos/m2 (34 kg/m2) al final del engorde. La productividad de la gestación y la lactancia disminuyen cuando la lactancia es mayor y se suceden varios ciclos reproductivos seguidos. Esto se debe al efecto negativo del estrés térmico sobre la vitalidad y supervivencia del embrión/gazapo. La mejora de la calidad del agua atenuó el efecto negativo del estrés térmico. Las conejas más productoras parece que son aquéllas que consiguen manejar mejor el estrés térmico.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration into concrete has become an area of great interest. The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model, which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation, consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified. The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out. In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed. It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés. El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales a realizar. Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo. Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas, tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la red porosa.