Transport and mixing enhancement in fluid-thermal microsystems

En esta tesis se investiga de forma experimental el transporte pasivo de magnitudes físicas en micro-sistemas con carácter de inmediata aplicación industrial, usando métodos innovadores para mejorar la eficiencia de los mismos optimizando parámetros críticos del diseño o encontrar nuevos destinos de posible aplicación. Parte de los resultados obtenidos en estos experimentos han sido publicados en revistas con un índice de impacto tal que pertenecen al primer cuarto del JCR. Primero de todo se ha analizado el efecto que produce en un intercambiador de calor basado en micro-canales el hecho de dejar un espacio entre canales y tapa superior para la interconexión de los mismos. Esto genera efectos tridimensionales que mejoran la exracción de calor del intercambiador y reducen la caída de presión que aparece por el transcurso del fluido a través de los micro-canales, lo que tiene un gran impacto en la potencia que ha de suministrar la bomba de refrigerante. Se ha analizado también la mejora producida en términos de calor disipado de un micro-procesador refrigerado con un ampliamente usado plato de aletas al implementar en éste una cámara de vapor que almacena un fluido bifásico. Se ha desarrollado de forma paralela un modelo numérico para optimizar las nuevas dimensiones del plato de aletas modificado compatibles con una serie de requerimientos de diseño en el que tanto las dimensiones como el peso juegan un papel esencial. Por otro lado, se han estudiado los fenomenos fluido-dinámicos que aparecen aguas abajo de un cuerpo romo en el seno de un fluido fluyendo por un canal con una alta relación de bloqueo. Los resultados de este estudio confirman, de forma experimental, la existencia de un régimen intermedio, caracterizado por el desarrollo de una burbuja de recirculación oscilante entre los regímenes, bien diferenciados, de burbuja de recirculación estacionaria y calle de torbellinos de Karman, como función del número de Reynolds del flujo incidente. Para la obtención, análisis y post-proceso de los datos, se ha contado con la ayuda de un sistema de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). Finalmente y como adición a este último punto, se ha estudiado las vibraciones de un cuerpo romo producidas por el desprendimiento de torbellinos en un canal de alta relación de bloqueo con la base obtenida del estudio anterior. El prisma se mueve con un movimiento armónico simple para un intervalo de números de Reynolds y este movimiento se transforma en vibración alrededor de su eje a partir de un ciero número de Reynolds. En relación al fluido, el régimen de desprendimiento de torbellinos se alcanza a menores números de Reynolds que en el caso de tener el cuerpo romo fijo. Uniendo estos dos registros de movimientos y variando la relación de masas entre prisma y fluido se obtiene un mapa con diferentes estados globales del sistema. Esto no solo tiene aplicación como método para promover el mezclado sino también como método para obtener energía a partir del movimiento del cuerpo en el seno del fluido. Abstract In this thesis, experimental research focused on passive scalar transport is performed in micro-systems with marked sense of industrial application, using innovative methods in order to obtain better performances optimizing critical design parameters or finding new utilities. Part of the results obtained in these experiments have been published into high impact factor journals belonged to the first quarter of the Journal Citation Reports (JCR). First of all the effect of tip clearance in a micro-channel based heat sink is analyzed. Leaving a gap between channels and top cover, letting the channels communicate each other causes three-dimensional effects which improve the heat transfer between fluid and heat sink and also reducing the pressure drop caused by the fluid passing through the micro-channels which has a great impact on the total cooling pumping power needed. It is also analyzed the enhancement produced in terms of dissipated heat in a micro-processor cooling system by improving the predominantly used fin plate with a vapour chamber based heat spreader which contains a two-phase fluid inside. It has also been developed at the same time a numerical model to optimize the new fin plate dimensions compatible with a series of design requirements in which both size and wight plays a very restrictive role. On the other hand, fluid-dynamics phenomena that appears downstream of a bluff body in the bosom of a fluid flow with high blockage ratio has been studied. This research experimentally confirms the existence of an intermediate regime characterized by an oscillating closed recirculation bubble intermediate regime between the steady closed recirculation bubble regime and the vortex shedding regime (Karman street like regime) as a function of the incoming flow Reynolds number. A particle image velocimetry technique (PIV) has been used in order to obtain, analyze and post-process the fluid-dynamic data. Finally and as an addition to the last point, a study on the vortexinduced vibrations (VIV) of a bluff body inside a high blockage ratio channel has been carried out taking advantage of the results obtained with the fixed square prism. The prism moves with simple harmonic motion for a Reynolds number interval and this movement becomes vibrational around its axial axis after overcoming at definite Reynolds number. Regarding the fluid, vortex shedding regime is reached at Reynolds numbers lower than the previous critical ones. Merging both movement spectra and varying the square prism to fluid mass ratio, a map with different global states is reached. This is not only applicable as a mixing enhancement technique but as an energy harvesting method.

Coherent excitation of nonlinear oscillators

Coherently driven, dissipative nonlinear oscillators,(driving kept permanently in phase with the oscillators response) are proposed as systems with interesting dynamics. Results for simple, preliminary examples, which do not show chaotic behavior, are briefly discussed.

Análisis de la influencia de la estimulación con vibraciones en la respuesta neuromuscular en competidores de esgrima

La esgrima es un deporte de combate en el que todas las acciones están dirigidas a conseguir el objetivo de la competición, que es el de tocar al contrario sin ser tocado, y para ello los tiradores/as se sirven de todas las herramientas, técnicas, tácticas y de condición física posibles a su alcance. La calidad de las acciones de los esgrimistas en competición dependerá fundamentalmente de dos de los sistemas involucrados en el proceso. Por un lado, la activación del sistema nervioso, y por otro lado la respuesta del sistema muscular. Una de las herramientas utilizadas en los últimos años para estimular el sistema neuromuscular, y que ha reportado en muchas investigaciones resultados positivos, ha sido la plataforma de vibraciones vertical. Por esto, decidimos llevar a cabo un estudio con deportistas de esgrima de competición con un protocolo de exposición aguda a las vibraciones, y medir el efecto producido por esta herramienta sobre el sistema neuromuscular a través del estudio de los cambios experimentados en los tiempos de reacción simple, tiempos de respuesta electiva y tiempos de movimiento, así como los efectos en la eficacia del tocado de esgrima analizados antes y después de recibir el estímulo vibratorio. El estudio se desarrolló con tiradores/as de competición de nivel nacional y pertenecientes al Centro de Tecnificación de la Federación de Esgrima de Castilla y León (n=38; Edad: 22 ±9,08). La muestra estaba compuesta por 12 mujeres y 26 hombres, de categorías, cadetes (13), júnior (12), y absolutos (13). El protocolo elegido fue realizado por cada participante en tres ocasiones, una inicial, otra tras pasar por una carga de estimulación en la plataforma de vibraciones, y una fase final, pasado un tiempo de recuperación de 10 minutos para comprobar el grado de disipación del efecto vibratorio. El estímulo elegido para la estimulación sobre la plataforma de vibraciones fue de una frecuencia de 50 Hz, durante un periodo de 60 segundos y con una amplitud de 4 mm. Los resultados se analizaron en función de las variables dependientes tiempo de reacción, tiempo de respuesta electiva, tiempo de movimiento, y precisión y eficacia. Estos datos se cruzaron con las variables independientes sexo, categoría, nivel deportivo y años de experiencia. El propósito del presente estudio fue el de analizar los efectos producidos por una intervención de estimulación neuromuscular mecánica en fase aguda en un grupo de tiradores/as de esgrima de competición. Los resultados mostraron que la carga de estimulación neuromuscular mecánica (ENM) aplicada en nuestro estudio provocó un discreto efecto en la respuesta neuromuscular de los tiradores participantes en la investigación. Se encontraron efectos significativos provocados por el estímulo vibratorio en las siguientes variables: en el tiempo de reacción simple se registró una mejora del 8,1%, en el tiempo de respuesta electiva a pie parado un 10%, en la precisión a pie parado un 7%, y en la eficacia a pie parado un 18,5%. Igualmente se observaron ligeras diferencias por sexos, encontrando un efecto de mayor tamaño en el grupo femenino. Es necesario resaltar que las características particulares de la muestra parecen haber influido en los resultados encontrados de forma importante. Por último, debemos destacar que el efecto residual producido por la estimulación aplicada en nuestra investigación en algún caso superó los diez minutos, ya que se hallaron efectos positivos de la estimulación neuromuscular mecánica en varios de los registros finales como hemos visto. ABSTRACT Fencing is a combat sport in which all actions are aimed at achieving the objective of the competition, which is that of touching the opponent without being touched and for this the fencers make use of all the tools, techniques, tactics and physical condition possible at their disposal. The quality of the fencers´ actions in competition will depend primarily on two of the systems involved in the process: on the one hand, the activation of the nervous system and, on the other, the response of the muscular system. One of the tools recently used to stimulate the neuromuscular system, and which has produced positive results in many research studies, has been the vertical vibration platform. Therefore, we decided to conduct a study with competition fencers with a protocol of acute exposure to vibration and to measure the effect produced by this tool on the neuromuscular system by means of the study of changes experienced in simple reaction times, the elective response times and movement times, as well as the effects on the efficacy of the fencing touch analyzed before and after receiving the vibratory stimulus. The study was conducted with fencers in national competitions and belonging to the Technification Center of the Fencing Federation of Castilla y León (n = 38), with a mean age of 22 years (SD 9.08). The sample was composed of 12 women and 26 men, by categories cadets (13), juniors (12), and seniors (13). The protocol chosen was performed by each participant on three occasions: an initial one, another after going through a stimulation load on the vibration platform, and a final phase, after a 10 minute recovery time to assess the degree of dissipation of the vibratory effect. The stimulus chosen on the vibration platform was a frequency of 50 Hz, for a period of 60 seconds and an amplitude of 4 mm. The results were analyzed according to the following dependent variables: the reaction time, the response time, the accuracy and the efficiency. This data was crossed with the independent variables: gender, category, sporting level and the years of experience. The purpose of this study was analyze the effects of neuromuscular stimulation intervention in a group of fencing competition shooters. The results showed that the mechanical neuromuscular stimulation (MNS) load applied in our study led to a modest effect on the neuromuscular response of the fencers involved in the research. Significant effects were found caused by the vibratory stimulus on the simple reaction time 8,1%, elective response time 10%, as well as the accuracy 7%, and efficiency 18,5%. We should also point out that slight differences by gender were observed, finding a greater effect in females. It should be emphasized that the specific characteristics of the sample appear to have significantly influenced the results. Finally, we should note that the residual effect produced by the stimulation applied in our research in some cases exceeded ten minutes, given that positive effects of the mechanical neuromuscular stimulation were found in several of the final scores.

Nonlocal electron heat-flux

Electron thermal conduction in a not quite collisional unmagnetlzed plasma is analysed. The failure of classical results for temperature scale-length up to 100 times larger than thermal mean-free-path for electron scattering, and large ion-charge number Z , is discussed. Recent results from a nonlocal model of conduction at large Z are reviewed. Closed form expressions for Braginskii's coefficients a ,/3 , y for Z =0(1) are derived. An extension of the nonlocal model for Z =0(1) is discussed.

Physics and applications of electrodynamic space tethers

Basic effects and dynamical and electrical contact issues in the physics of (electrodynamic space) bare tethers are discussed. Scientific experiments and powerpropulsion applications, including a paradoxical use of bare tethers in outer-planet exploration,are considered.

Nonuniform irradiation of laser targets

Smoothing of plasma ablated from a laser target under weakly nonuniform irradiation is discussed. Conduction is assumed restricted to a quasisteady layer enclosing the critical surface (large pellet or focal spot, and long, low-intensity, short-wavelength pulse). Light refraction can make the ablated plasma unstable.

Sudden transition to chaos in plasma wave interactions

The coherent three-wave interaction, with linear growth in the higher frequency wave and damping in the two other waves, is reconsidered; for equal dampings, the resulting three-dimensional (3-D) flow of a relative phase and just two amplitudes behaved chaotically, no matter how small the growth of the unstable wave. The general case of different dampings is studied here to test whether, and how, that hard scenario for chaos is preserved in passing from 3-D to four-dimensional flows. It is found that the wave with higher damping is partially slaved to the other damped wave; this retains a feature of the original problem an invariant surface that meets an unstable fixed point, at zero growth rate! that gave rise to the chaotic attractor and determined its structure, and suggests that the sudden transition to chaos should appear in more complex wave interactions.

Magnetic self-field effects on current collection by an ionospheric bare tether

It was recently suggested that the magnetic field created by the current of a bare tether strongly reduces its own electron-collection capability when a magnetic separatrix disconnecting ambient magnetized plasma from tether extends beyond its electric sheath. It is here shown that current reduction by the self-field depends on the ratio meterizing bias and current profiles along the tether (Lt tether length, characteristic length gauging ohmic effects) and on a new dimensionless number Ks involving ambient and tether parameters. Current reduction is weaker the lower Ks and L*/ Lt, which depend critically on the type of cross section: Ks varies as R5/3, h2/3R, and h2/3 1/4 width for wires, round tethers conductive only in a thin layer, and thin tapes, respectively; L* varies as R2/3 for wires and as h2/3 for tapes and round tethers conductive in a layer (R radius, h thickness). Self-field effects are fully negligible for the last two types of cross sections whatever the mode of operation. In practical efficient tether systems having L*/Lt low, maximum current reduction in case of wires is again negligible for power generation; for deorbiting, reduction is <1% for a 10 km tether and 15% for a 20 km tether. In the reboost mode there are no effects for Ks below some threshold; moderate effects may occur in practical but heavy reboost-wire systems that need no dedicated solar power.