Utilización de ingredientes tradicionales y nuevos productos derivados del haba de soja en piensos de lechones blancos e ibéricos: efectos sobre la fisiología digestiva y la productividad

Los objetivos principales de esta Tesis Doctoral fueron estudiar en 4 ensayos los efectos a) del procesado del maíz y la inclusión en los piensos de ingredientes de alta calidad como harina de pescado o fuentes de lactosa en lechones blancos b) inclusión en el pienso de diferentes productos derivados del haba de soja, con diferente contenido de proteína bruta (PB), tamaño de partícula y origen en lechones blancos e ibéricos y c) inclusión en el pienso de lechones ibéricos de ingredientes de alta calidad; forma de presentación del pienso y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos, la digestibilidad de los nutrientes, y las características morfológicas de la mucosa digestiva en lechones blancos e ibéricos recién destetados. En el experimento 1, los efectos de la complejidad del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la digestibilidad total aparente (TTAD) de los nutrientes fueron estudiados en lechones blancos recién destetados. Se utilizaron 10 tratamientos experimentales como resultado de 5 piensos prestárter (21 a 41 d de edad) y 2 piensos estárter (42 a 62 d de edad). Los piensos prestárter consistieron en un control negativo que incluía 40% de maíz crudo, 4% de harina de pescado y 7% de lactosa, un control positivo que incluía 40% de maíz cocido, 10% de harina de pescado, y 14% de lactosa, y 3 piensos adicionales con similares ingredientes que el pienso control positivo pero en los que a) 40% de maíz cocido fue sustituido por el mismo porcentaje de maíz crudo, b) se redujo el nivel de harina de pescado del 10 al 4%, y c) se redujo el nivel de lactosa del 14 al 7%. Cada tratamiento se replicó 6 veces (6 lechones/departamento). De 42 a 62 d de edad, la mitad de cada uno de los 5 piensos prestárter recibió un pienso estándar compuesto por harina de soja- maíz crudo y manteca y la otra mitad un pienso con similar perfil nutricional pero incluyendo un 20% de maíz cocido, 5% de harina de pescado, 1.3% de lactosa, 2% de concentrado de proteína de soja obtenido por fermentación y 1% de aceite de soja en lugar de harina de soja, maíz sin procesar y manteca. La complejidad del pienso no afectó a los parámetros productivos en ninguno de los periodos estudiados, pero el índice de diarreas durante la fase prestárter fue mayor en los lechones que recibieron el pienso control negativo que en los alimentados con cualquiera de los otros piensos (P<0.05). A los 30 días de edad (piensos prestárter), la digestibilidad de la materia orgánica (MO) y de la energía bruta (EB) fue menor (P<0.001) en los lechones que consumieron el pienso control negativo que en los lechones que consumieron cualquiera de los otros piensos. Sin embrago, la digestibilidad fecal de la PB no fue afectada. A los 50 días de edad (piensos estárter), la digestibilidad de los nutrientes fue similar en ambos piesnsos. Se concluye que la utilización de niveles elevados de ingredientes de alta calidad en los piensos no mejora los parámetros productivos de los lechones blancos en ninguno de los períodos estudiados. De 21 a 41 días de edad, el índice de diarreas se redujo y la digestibilidad de los nutrientes aumentó con la utilización de piensos de mayor calidad. Por lo tanto, la utilización de piensos con niveles elevados de ingredientes de calidad para reducir problemas digestivos y por lo tanto, mejorar los parámetros productivos podría estar justificada en algunos casos. En el experimento 2, se estudiaron los efectos de la inclusión en el pienso de harina de soja con diferente contenido de PB (44 vs. 49 % PB), la micronización de la harina de soja de alta proteína (AP-HS; 49% PB) y la utilización de concentrado de proteína de soja (CPS; 65% PB) sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones blancos recién destetados de 28 a 63 días de edad. De 28 a 49 días de edad (fase I), hubo un pienso control positivo con un 10% de CPS, un pienso control negativo con 14.8% de harina de soja estándar (R-HS; 44% de PB) y otros 4 piensos que incluían 13.3% de AP-HS de origen Americano (USA) o Argentino (ARG) y molidas groseramente (980 μm) o micronizadas (80 μm). Cada tratamiento se replicó 8 veces (6 lechones/departamento). De 49 a 63 días de edad (fase II), todos los lechones recibieron un pienso comercial común en forma de harina. En el global de la fase I, el tratamiento experimental no afectó a ninguno de los parámetros productivos estudiados. Sin embargo, de 28 a 35 días de edad, los lechones alimentados con AP-HS micronizadas tuvieron un mejor índice de conversión (IC; 1.11 vs. 0.98; P<0.05) que los alimentados con AP-HS molidas groseramente. También, de 35 a 42 días de edad, los lechones que recibieron el pienso con AP-HS micronizada tendieron (P=0.08) a consumir más pienso que los lechones que consumieron el pienso con AP-HS molida. Durante la fase II (49 a 63 días de edad), cuando todos los lechones recibieron un pienso común, no se observaron diferencias en productividad de los lechones debido al tratamiento previo. En general, la digestibilidad de los nutrientes a los 35 días de edad fue mayor para los lechones que consumieron CPS que para los lechones que consumieron R-HS con los lechones que consumieron AP-HS en una posición intermedia. La digestibilidad de la PB fue mayor (P≤0.01) para el pienso que contenía CPS que para el promedio de los 5 tratamientos en base a HS. También, la digestibilidad de la MO y de la materia seca (MS) fue mayor para el pienso que contenía AP-HS micronizada o molida groseramente que para el pienso que contenía R-HS. La micronización de la AP-HS no tuvo efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. Se concluye que cuando el CPS sustituye en el pienso a R-HS, la digestibilidad de la PB aumenta pero no tiene efecto alguno sobre los parámetros productivos. La utilización de AP-HS en sustitución de R-HS en el pienso mejora la digestibilidad de los nutrientes pero no afecta a los parámetros productivos. La utilización de harina de soja micronizada en los piensos mejora la eficiencia alimenticia durante la primera semana post-destete pero no tiene efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. En general, la inclusión de productos derivados del haba de soja con un alto valor añadido (CPS o AP-HS) en el pienso presenta pocas ventajas en términos productivos al uso de AP-HS en lechones blancos recién destetados. En el experimento 3, se estudiaron los mismos productos de soja y piensos similares al experimento 2 en lechones ibéricos recién destetados. Además de los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes, en este ensayo se estudió también la digestibilidad ileal aparente (AID) de los nutrientes, así como las características histológicas y morfometría de la mucosa ileal. Cada uno de los 6 tratamientos fue replicado 6 veces (6 lechones/departamento). De 30 a 51 días de edad la fuente de harina de soja no afectó a los parámetros productivos, pero el índice de diarreas fue mayor (P<0.001) y la TTAD y AID de los nutrientes menor en los lechones alimentados con R-HS que en los alimentados con CPS o AP-HS. Sin embargo, no se encontró ninguna diferencia para éstos parámetros entre los piensos que contenían AP-HS y CPS. La TTAD de la MO (P=0.07) y de la EB (P=0.05) tendieron a ser mayores en los piensos basados en AP-HS micronizada que en los basados en AP-HS molida. La TTAD de la EB tendió (P<0.05) a ser mayor para la AP-HS de origen USA que para la AP-HS de origen ARG. Los lechones que consumieron R-HS presentaron villi de menor longitud (P<0.01) que los lechones que consumieron AP-HS o CPS, pero no se observaron diferencias en el caso de los lechones que recibieron los piensos que contenían AP-HS o CPS. Se concluye que la inclusión de AP-HS o CPS en el pienso en sustitución de R-HS reduce el índice de diarreas y mejora la digestibilidad de los nutrientes y las características morfológicas del íleon sin afectar a los parámetros productivos. La utilización de piensos basados en productos derivados del haba de soja con mayor valor añadido (CPS o AP-HS) en sustitución de la R-HS, mejora la TTAD de todos los nutrientes y reduce el índice de diarreas si llegar afectar a los parámetros productivos. En el experimento 4 se estudiaron los efectos del contenido de PB y la complejidad del pienso, la presentación física y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones ibéricos recién destetados de 28 a 63 días de edad. Hubo 12 tratamientos experimentales con 2 tipos de pienso (AC; calidad alta y BC: calidad media), 2 presentaciones del pienso (gránulo y harina) y 3 duraciones de suministro del pienso prestárter (7, 14 y 21 días). Desde los 7, 14 y 21 días de experimento (dependiendo del tratamiento), hasta los 35 días, todos los lechones recibieron un pienso comercial en forma de harina. Cada uno de los tratamientos fue replicado 3 veces (6 lechones/departamento). En el global del experimento, la ganancia media diaria (GMD; P<0.05) y el consumo medio diario (CMD; P<0.01) fue menor en los lechones que recibieron el pienso AC que para los que recibieron el pienso de BC, si bien el IC no se vio afectado. La granulación del pienso prestárter no afectó a los crecimientos pero mejoró la eficiencia alimenticia. La utilización del pienso prestárter de 0 a 21 días de prueba mejoró el IC (P<0.05), pero redujo la GMD (P<0.01) en comparación con la utilización de éste pienso solo durante 7 o 14 días. El índice de diarreas tendió a ser mayor (P=0.06) en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con los piensos BC. Asimismo, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso en gránulo que los que los recibieron en harina (P<0.001). Además, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 14 o 21 días que en los que lo recibieron solo durante 7 días (P<0.01). De 28 a 49 días de edad, la GMD y el IC no se vieron afectados por la complejidad del pienso, pero la presentación en gránulo o el aumento en la duración de suministro del pienso prestárter mejoró el IC (P<0.01). También, en este periodo el índice de diarreas fue mayor en lechones alimentados con piensos granulados que aquellos alimentados con piensos en harina. Asimismo, fue superior para los lechones alimentados con el pienso prestárter durante 14 o 21 días que para los que recibieron éste pienso solo durante 7 días (P<0.01). De 49 a 63 días de edad, los lechones que previamente habían recibido piensos BC crecieron más que los que recibieron piensos AC (P<0.001). Asimismo, los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 21 días comieron (P< 0.001) y crecieron menos (P<0.05) presentando una peor eficacia alimenticia (P<0.05) que los lechones que lo recibieron solo durante 7 14 días. La digestibilidad de la MO fue mayor en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con piensos BC (P<0.05). La granulación del pienso mejoró la digestibilidad de los principales nutrientes. Los piensos prestárter AC mejoraron la digestibilidad de los nutrientes pero no la eficiencia alimenticia en lechones ibéricos de 28 a 63 días de edad. La granulación del pienso mejoró la eficiencia alimenticia. El aumento del suministro del pienso prestárter de 7 a 21 días mejoró la eficiencia alimenticia pero redujo la GMD. Por lo tanto, la utilización de piensos granulados de alta calidad durante el periodo prestárter es recomendable en lechones ibéricos, pero solo durante la primera semana post-destete. ABSTRACT The main objectives of this PhD Thesis were to study the effects of a) heat processing (HP) of corn and inclusion of high quality ingredients of animal origin such as fish meal (FM) and dried milk products in the diet, b) inclusion of different soy products varying in crude protein (CP) content, particle size, and origin of the beans in diets for conventional white and Iberian weanling pigs, and c) effects of ingredient quality, feed form, and duration of supply of the phase I diets on growth performance, nutrient digestibility, and intestinal morphology of weanling pigs. In experiment 1, the effect of diet complexity on total tract apparent digestibility (TTAD) and growth performance was studied in piglets from 21 to 62 d of age. There were 10 experimental treatments which resulted from the combination of 5 phase I (21 to 41 d of age) and 2 phase II (42 to 62 d of age) diets. The 5 phase I diets consisted of a negative control diet that contained 40 % raw corn, 4% FM, and 7% lactose (LAC); a positive control diet that contained 40 % HP corn, 10% FM, and 14% LAC, and 3 extra diets that used similar ingredients to those of the positive control diet but in which a) 40% of HP corn was substituted by raw corn, b) 4% FM rather than 10% FM, and c) 7% LAC instead of 14% LAC were included in the diet. Each treatment was replicated 6 times (6 pigs per pen). From 42 to 62 d of age, half of the pens of each of the 5 phase I treatments received a standard soybean meal (SBM)–native corn–lard diet wheras the other half received a diet with similar nutrient profile but that included 20% HP corn, 5% FM, 1.3% lactosa, 2% fermented soy protein concentrate, and 1% soybean oil in substitution of variables amounts of non-processed corn, SBM, and lard. Dietary treatment did not affect piglet performance at any age, but the incidence of post-weaning diarrhea (PWD) was higher during phase I in piglets fed the negative control diet than in piglets fed any of the other diets (P<0.05). At 30 d of age (phase I diets), the TTAD of organic matter (OM) and gross energy (GE) was lower (P<0.001) in pigs fed the negative control diet than in pigs fed the other diets but CP digestibility was not affected. At 50 d of age (phase II diets), dietary treatment did not affect TTAD of any dietary component. It is concluded that the use of high quality ingredients at high levels in the diet did not improve growth performance of piglets at any age. From 21 to 41 d of age, PWD was reduced and nutrient digestibility was increased in pigs fed the more complex diets. Consequently, the inclusion of high levels of high quality ingredients in piglet diets to maximize growth performance might not be justified under all circumstances In experiment 2, the effect of CP content (44 vs. 49 % CP) of SBM, micronization (fine grinding) of the high CP SBM (HP-SBM; 49% CP), and soy protein concentrate (SPC; 65% CP) on TTAD and growth performance was studied in conventional white piglets from 28 to 63 d of age. From 28 to 49 d of age (phase I), there was a positive control diet that included 6.5% CP from SPC and a negative control diet that supplied the same amount of CP as regular SBM (R-SBM; 44% CP) of Argentina (ARG) origin. The other 4 diets included the same amount of dietary CP from 2 sources of HP-SBM (USA or ARG origin), either ground (990 μm) or micronized (60 μm). Each treatment was replicated 8 times (6 pigs per pen). From 49 to 63 d of age (phase II), all pigs were fed a common commercial starter diet. For the entire phase I, type of soy product included in the diet did not affect growth performance of the pigs. However, from 28 to 35 d of age pigs fed the micronized HP-SBM had better feed conversion ratio (FCR; 0.90 vs. 1.01; P<0.05) than pigs fed the ground HP-SBM. Also, from 35 to 42 d of age, average daily feed intake (ADFI) tended to be higher (P=0.08) for pigs fed the micronized HP-SBM than for pigs fed the ground HP-SBM. During phase II, when all the pigs received the same diet, no differences among treatments were observed. In general, the TTAD of nutrients at 35 d of age was higher for the SPC than for the R-SBM diet with the HP-SBM diets being intermediate. The TTAD of CP was higher (83.8% vs. 81.9%; P≤0.01) for the SPC diet than for the average of 5 SBM containing diets. Also, the digestibility of OM and dry matter (DM) was higher (P<0.01) for the HP-SBM, either ground or micronized, than for the R-SBM diet. Micronization of the HP-SBM did not affect nutrient digestibility. It is concluded that when R-SBM was substituted by SPC, CP digestibility was improved but no effects on growth performance were observed. The use of HP-SBM in substitution of R-SBM in the diet improved nutrient digestibility but did not affect piglet performance. The inclusion of micronized HP-SBM in the diet improved FCR during the first week post-weaning but did not affect TTAD of nutrients. Therefore, the inclusion of added value soy products (SPC or micronized SBM) in the diet presents little advantage in terms of growth performance over the use of HP-SBM in pigs weaned at 28 d of age. In experiment 3, the effects of the same sources of soy protein used in experiment 2 on TTAD and growth performance of crossbreed Iberian pigs from 30 to 61 d of age were studied. In addition, the apparent ileal digestibility (AID) of nutrients and mucosa ileum morphology were also determined. Dietary treatment did not affect growth performance of the pigs at any age but from 30 to 51 d of age (phase I diets), PWD was higher (P<0.001) and the TTAD and AID of all nutrients were lower for pigs fed the R-SBM diet than for pigs fed the HP-SBM or the SPC diets. However, no differences between the HP-SBM and the SPC containing diets were detected for digestibility of any dietary component. The TTAD of OM (P=0.07) and GE (P=0.05) tended to be higher for the micronized HP-SBM than for the ground HP-SBM and that of GE was higher (P<0.05) for the USA meal than for the ARG meal. Pigs fed R-SBM had lower villus height (P<0.01) than pigs fed HP-SBM or SPC but no differences in ileal mucosal morphology were detected between SPC and HP-SBM containing diets. It is concluded that feeding the HP-SBM or SPC in substitution of R-SBM reduced PWD and improved nutrient digestibility and ileal morphology in piglets as compared with feeding the R-SBM, but had no effect on growth performance. The inclusion in the diet of added value soy products (micronized SBM or SPC) in substitution of the R-SBM increased the TTAD of all nutrients and reduced PWD but had no advantage in terms of growth performance over the use of ground HP-SBM. In experiment 4, the effect of CP content and ingredient complexity, feed form, and duration of feeding of the phase I diets on growth performance and TTAD of nutrients were studied in Iberian pigs from 28 to 63 d of age. There were 12 dietary treatments with 2 type of feeds (HQ; higher quality and LQ; medium quality), 2 feed forms (pellets vs. mash), and 3 durations of supply (7, 14, and 21 d) of the phase I diets. From d 7, 14, or 21 (depending on treatment) to d 35 of experiment, all pigs received a common diet in mash form. Each treatment was replicated 3 times (6 pigs/pen). For the entire experiment, average daily gain (ADG; P<0.05) and ADFI (P<0.01) were lower with the HQ than with the LQ phase I diets but FCR was not affected. Pelleting of the phase I diets did not affect ADG but improved FCR (P<0.01). Feeding the phase I diets from d 0 to 21 improved FCR (P<0.05) but decreased ADG (P<0.01) as compared with 7 or 14 d of feeding. Post-weaning diarrhea tended to be higher (P=0.06) for pigs fed the HQ diets than for pigs fed the LQ diets and for pigs fed pellets than for pigs fed mash (P<0.001). Also, PWD was higher for pigs fed the phase I diet for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for 7 d (P<0.01). From d 0 to 21, ADG and FCR were not affected by feed quality but feeding pellets or increasing the duration of feeding the phase I diets improved FCR (P<0.01). Also, in this period PWD was higher with pellets than with mash and for pigs fed the phase I diets for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for only 7 d (P<0.01). From d 21 to 35, pigs previously fed the LQ diet had higher ADG than pigs fed the HQ phase I diets (P<0.001). Also, pigs that were fed the phase I diets for 21 d had lower ADG (P<0.05) and ADFI (P< 0.001) and poor FCR (P<0.05) than pigs fed these diets for 7 or 14 d. Organic matter digestibility was higher for pigs fed the HQ phase I diets than for pigs fed the LQ phase I diets (P<0.05). Pelleting improved TTAD of all nutrients (P<0.01). It is concluded that HQ phase I diets increased TTAD of nutrients but not feed efficiency of Iberian pigs from d 28 to 63 d of age. Also, pelleting improved nutrient digestibility and feed efficiency. Increasing the duration of supply of the phase I diets from 7 to 21 d improved feed efficiency but reduced ADG. Therefore, the use of LQ phase I diets in pellet form for no more than 7 d after weaning is recommended in Iberian pigs.

Communication: Transition State Theory for dissipative systems without a dividing surface

Transition state theory is a central cornerstone in reaction dynamics. Its key step is the identification of a dividing surface that is crossed only once by all reactive trajectories. This assumption is often badly violated, especially when the reactive system is coupled to an environment. The calculations made in this way then overestimate the reaction rate and the results depend critically on the choice of the dividing surface. In this Communication, we study the phase space of a stochastically driven system close to an energetic barrier in order to identify the geometric structure unambiguously determining the reactive trajectories, which is then incorporated in a simple rate formula for reactions in condensed phase that is both independent of the dividing surface and exact.

Thermodynamical Phase Noise in Oscillators Based on L-C Resonators (Foundations)

Using a new Admittance-based model for electrical noise able to handle Fluctuations and Dissipations of electrical energy, we explain the phase noise of oscillators that use feedback around L-C resonators. We show that Fluctuations produce the Line Broadening of their output spectrum around its mean frequency f0 and that the Pedestal of phase noise far from f0 comes from Dissipations modified by the feedback electronics. The charge noise power 4FkT/R C2/s that disturbs the otherwise periodic fluctuation of charge these oscillators aim to sustain in their L-C-R resonator, is what creates their phase noise proportional to Leeson’s noise figure F and to the charge noise power 4kT/R C2/s of their capacitance C that today’s modelling would consider as the current noise density in A2/Hz of their resistance R. Linked with this (A2/Hz?C2/s) equivalence, R becomes a random series in time of discrete chances to Dissipate energy in Thermal Equilibrium (TE) giving a similar series of discrete Conversions of electrical energy into heat when the resonator is out of TE due to the Signal power it handles. Therefore, phase noise reflects the way oscillators sense thermal exchanges of energy with their environment

Bio-inspired FPGA Architecture for Self-Calibration of an Image Compression Core based on Wavelet Transforms in Embedded Systems

A generic bio-inspired adaptive architecture for image compression suitable to be implemented in embedded systems is presented. The architecture allows the system to be tuned during its calibration phase. An evolutionary algorithm is responsible of making the system evolve towards the required performance. A prototype has been implemented in a Xilinx Virtex-5 FPGA featuring an adaptive wavelet transform core directed at improving image compression for specific types of images. An Evolution Strategy has been chosen as the search algorithm and its typical genetic operators adapted to allow for a hardware friendly implementation. HW/SW partitioning issues are also considered after a high level description of the algorithm is profiled which validates the proposed resource allocation in the device fabric. To check the robustness of the system and its adaptation capabilities, different types of images have been selected as validation patterns. A direct application of such a system is its deployment in an unknown environment during design time, letting the calibration phase adjust the system parameters so that it performs efcient image compression. Also, this prototype implementation may serve as an accelerator for the automatic design of evolved transform coefficients which are later on synthesized and implemented in a non-adaptive system in the final implementation device, whether it is a HW or SW based computing device. The architecture has been built in a modular way so that it can be easily extended to adapt other types of image processing cores. Details on this pluggable component point of view are also given in the paper.

Experience with PV-diesel hybrid village power systems in southern Morocco

In October 2002, under the auspices of Spanish Cooperation, a pilot electrification project put into operation two centralised PV-diesel hybrid systems in two different Moroccan villages. These systems currently provide a full-time energy service and supply electricity to more than a hundred of families, six community buildings, street lighting and one running water system. The appearance of the electricity service is very similar to an urban one: one phase AC supply (230V/50Hz) distributed up to each dwelling using a low-voltage mini-grid, which has been designed to be fully compatible with a future arrival of the utility grid. The management of this electricity service is based on a “fee-for-service” scheme agreed between a local NGO, partner of the project, and electricity associations created in each village, which are in charge of, among other tasks, recording the daily energy production of systems and the monthly energy consumption of each house. This register of data allows a systematic evaluation of both the system performance and the energy consumption of users. Now, after four years of operation, this paper presents the experience of this pilot electrification project and draws lessons that can be useful for designing, managing and sizing this type of small village PV-hybrid system

Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment.

Accurate characterization of the radio channel in tunnels is of great importance for new signaling and train control communications systems. To model this environment, measurements have been taken at 2.4 GHz in a real environment in Madrid subway. The measurements were carried out with four base station transmitters installed in a 2-km tunnel and using a mobile receiver installed on a standard train. First, with an optimum antenna configuration, all the propagation characteristics of a complex subway environment, including near shadowing, path loss,shadow fading, fast fading, level crossing rate (LCR), and average fade duration (AFD), have been measured and computed. Thereafter, comparisons of propagation characteristics in a double-track tunnel (9.8-m width) and a single-track tunnel (4.8-m width) have been made. Finally, all the measurement results have been shown in a complete table for accurate statistical modeling.

Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.

A method for revealing phase space structures of general time dependent dynamical systems

In this paper we develop new techniques for revealing geometrical structures in phase space that are valid for aperiodically time dependent dynamical systems, which we refer to as Lagrangian descriptors. These quantities are based on the integration, for a finite time, along trajectories of an intrinsic bounded, positive geometrical and/or physical property of the trajectory itself. We discuss a general methodology for constructing Lagrangian descriptors, and we discuss a “heuristic argument” that explains why this method is successful for revealing geometrical structures in the phase space of a dynamical system. We support this argument by explicit calculations on a benchmark problem having a hyperbolic fixed point with stable and unstable manifolds that are known analytically. Several other benchmark examples are considered that allow us the assess the performance of Lagrangian descriptors in revealing invariant tori and regions of shear. Throughout the paper “side-by-side” comparisons of the performance of Lagrangian descriptors with both finite time Lyapunov exponents (FTLEs) and finite time averages of certain components of the vector field (“time averages”) are carried out and discussed. In all cases Lagrangian descriptors are shown to be both more accurate and computationally efficient than these methods. We also perform computations for an explicitly three dimensional, aperiodically time-dependent vector field and an aperiodically time dependent vector field defined as a data set. Comparisons with FTLEs and time averages for these examples are also carried out, with similar conclusions as for the benchmark examples.

Optimización de la composición del hueco de fachada en materia de eficiencia energética. Propuesta de indicador como herramienta para el análisis integral del elemento acristalado = Energy performance optimization of window systems. Proposal of an indicator as a tool for an integrated analysis of glazing

La hipótesis de esta tesis es: "La optimización de la ventana considerando simultáneamente aspectos energéticos y aspectos relativos a la calidad ambiental interior (confort higrotérmico, lumínico y acústico) es compatible, siempre que se conozcan y consideren las sinergias existentes entre ellos desde las primeras fases de diseño". En la actualidad se desconocen las implicaciones de muchas de las decisiones tomadas en torno a la ventana; para que su eficiencia en relación a todos los aspectos mencionados pueda hacerse efectiva es necesaria una herramienta que aporte más información de la actualmente disponible en el proceso de diseño, permitiendo así la optimización integral, en función de las circunstancias específicas de cada proyecto. En la fase inicial de esta investigación se realiza un primer acercamiento al tema, a través del estado del arte de la ventana; analizando la normativa existente, los componentes, las prestaciones, los elementos experimentales y la investigación. Se observa que, en ocasiones, altos requisitos de eficiencia energética pueden suponer una disminución de las prestaciones del sistema en relación con la calidad ambiental interior, por lo que surge el interés por integrar al análisis energético aspectos relativos a la calidad ambiental interior, como son las prestaciones lumínicas y acústicas y la renovación de aire. En este punto se detecta la necesidad de realizar un estudio integral que incorpore los distintos aspectos y evaluar las sinergias que se dan entre las distintas prestaciones que cumple la ventana. Además, del análisis de las soluciones innovadoras y experimentales se observa la dificultad de determinar en qué medida dichas soluciones son eficientes, ya que son soluciones complejas, no caracterizadas y que no están incorporadas en las metodologías de cálculo o en las bases de datos de los programas de simulación. Por lo tanto, se plantea una segunda necesidad, generar una metodología experimental para llevar a cabo la caracterización y el análisis de la eficiencia de sistemas innovadores. Para abordar esta doble necesidad se plantea la optimización mediante una evaluación del elemento acristalado que integre la eficiencia energética y la calidad ambiental interior, combinando la investigación teórica y la investigación experimental. En el ámbito teórico, se realizan simulaciones, cálculos y recopilación de información de distintas tipologías de hueco, en relación con cada prestación de forma independiente (acústica, iluminación, ventilación). A pesar de haber partido con un enfoque integrador, resulta difícil esa integración detectándose una carencia de herramientas disponible. En el ámbito experimental se desarrolla una metodología para la evaluación del rendimiento y de aspectos ambientales de aplicación a elementos innovadores de difícil valoración mediante la metodología teórica. Esta evaluación consiste en el análisis comparativo experimental entre el elemento innovador y un elemento estándar; para llevar a cabo este análisis se han diseñado dos espacios iguales, que denominamos módulos de experimentación, en los que se han incorporado los dos sistemas; estos espacios se han monitorizado, obteniéndose datos de consumo, temperatura, iluminancia y humedad relativa. Se ha realizado una medición durante un periodo de nueve meses y se han analizado y comparado los resultados, obteniendo así el comportamiento real del sistema. Tras el análisis teórico y el experimental, y como consecuencia de esa necesidad de integrar el conocimiento existente se propone una herramienta de evaluación integral del elemento acristalado. El desarrollo de esta herramienta se realiza en base al procedimiento de diagnóstico de calidad ambiental interior (CAI) de acuerdo con la norma UNE 171330 “Calidad ambiental en interiores”, incorporando el factor de eficiencia energética. De la primera parte del proceso, la parte teórica y el estado del arte, se obtendrán los parámetros que son determinantes y los valores de referencia de dichos parámetros. En base a los parámetros relevantes obtenidos se da forma a la herramienta, que consiste en un indicador de producto para ventanas que integra todos los factores analizados y que se desarrolla según la Norma UNE 21929 “Sostenibilidad en construcción de edificios. Indicadores de sostenibilidad”. ABSTRACT The hypothesis of this thesis is: "The optimization of windows considering energy and indoor environmental quality issues simultaneously (hydrothermal comfort, lighting comfort, and acoustic comfort) is compatible, provided that the synergies between these issues are known and considered from the early stages of design ". The implications of many of the decisions made on this item are currently unclear. So that savings can be made, an effective tool is needed to provide more information during the design process than the currently available, thus enabling optimization of the system according to the specific circumstances of each project. The initial phase deals with the study from an energy efficiency point of view, performing a qualitative and quantitative analysis of commercial, innovative and experimental windows. It is observed that sometimes, high-energy efficiency requirements may mean a reduction in the system's performance in relation to user comfort and health, that's why there is an interest in performing an integrated analysis of indoor environment aspects and energy efficiency. At this point a need for a comprehensive study incorporating the different aspects is detected, to evaluate the synergies that exist between the various benefits that meet the window. Moreover, from the analysis of experimental and innovative windows, a difficulty in establishing to what extent these solutions are efficient is observed; therefore, there is a need to generate a methodology for performing the analysis of the efficiency of the systems. Therefore, a second need arises, to generate an experimental methodology to perform characterization and analysis of the efficiency of innovative systems. To address this dual need, the optimization of windows by an integrated evaluation arises, considering energy efficiency and indoor environmental quality, combining theoretical and experimental research. In the theoretical field, simulations and calculations are performed; also information about the different aspects of indoor environment (acoustics, lighting, ventilation) is gathered independently. Despite having started with an integrative approach, this integration is difficult detecting lack available tools. In the experimental field, a methodology for evaluating energy efficiency and indoor environment quality is developed, to be implemented in innovative elements which are difficult to evaluate using a theoretical methodology This evaluation is an experimental comparative analysis between an innovative element and a standard element. To carry out this analysis, two equal spaces, called experimental cells, have been designed. These cells have been monitored, obtaining consumption, temperature, luminance and relative humidity data. Measurement has been performed during nine months and results have been analyzed and compared, obtaining results of actual system behavior. To advance this optimization, windows have been studied from the point of view of energy performance and performance in relation to user comfort and health: thermal comfort, acoustic comfort, lighting comfort and air quality; proposing the development of a methodology for an integrated analysis including energy efficiency and indoor environment quality. After theoretical and experimental analysis and as a result of the need to integrate existing knowledge, a comprehensive evaluation procedure for windows is proposed. This evaluation procedure is developed according to the UNE 171330 "Indoor Environmental Quality", also incorporating energy efficiency and cost as factors to evaluate. From the first part of the research process, outstanding parameters are chosen and reference values of these parameters are set. Finally, based on the parameters obtained, an indicator is proposed as windows product indicator. The indicator integrates all factors analyzed and is developed according to ISO 21929-1:2011"Sustainability in building construction. Sustainability indicators. Part 1: Framework for the development of indicators and a core set of indicators for buildings".

Propagation of Cross-Section Uncertainties in Criticality Calculations in the Framework of UAM-Phase I Using MCNPX-2.7e and SCALE-6.1

In the framework of the OECD/NEA project on Benchmark for Uncertainty Analysis in Modeling (UAM) for Design, Operation, and Safety Analysis of LWRs, several approaches and codes are being used to deal with the exercises proposed in Phase I, “Specifications and Support Data for Neutronics Cases.” At UPM, our research group treats these exercises with sensitivity calculations and the “sandwich formula” to propagate cross-section uncertainties. Two different codes are employed to calculate the sensitivity coefficients of to cross sections in criticality calculations: MCNPX-2.7e and SCALE-6.1. The former uses the Differential Operator Technique and the latter uses the Adjoint-Weighted Technique. In this paper, the main results for exercise I-2 “Lattice Physics” are presented for the criticality calculations of PWR. These criticality calculations are done for a TMI fuel assembly at four different states: HZP-Unrodded, HZP-Rodded, HFP-Unrodded, and HFP-Rodded. The results of the two different codes above are presented and compared. The comparison proves a good agreement between SCALE-6.1 and MCNPX-2.7e in uncertainty that comes from the sensitivity coefficients calculated by both codes. Differences are found when the sensitivity profiles are analysed, but they do not lead to differences in the uncertainty.

Lagrangian descriptors: a method for revealing phase space structures of general time dependent dynamical systems

Lagrangian descriptors are a recent technique which reveals geometrical structures in phase space and which are valid for aperiodically time dependent dynamical systems. We discuss a general methodology for constructing them and we discuss a "heuristic argument" that explains why this method is successful. We support this argument by explicit calculations on a benchmark problem. Several other benchmark examples are considered that allow us to assess the performance of Lagrangian descriptors with both finite time Lyapunov exponents (FTLEs) and finite time averages of certain components of the vector field ("time averages"). In all cases Lagrangian descriptors are shown to be both more accurate and computationally efficient than these methods.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Análisis de sistemas dinámicos y complejos en la Liga Profesional de Balonmano de España = Complex and dynamical systems analysis in Spanish Professional Handball League

El propósito de esta tesis fue estudiar el rendimiento ofensivo de los equipos de balonmano de élite cuando se considera el balonmano como un sistema dinámico complejo no lineal. La perspectiva de análisis dinámica dependiente del tiempo fue adoptada para evaluar el rendimiento de los equipos durante el partido. La muestra general comprendió los 240 partidos jugados en la temporada 2011-2012 de la liga profesional masculina de balonmano de España (Liga ASOBAL). En el análisis posterior solo se consideraron los partidos ajustados (diferencia final de goles ≤ 5; n = 142). El estado del marcador, la localización del partido, el nivel de los oponentes y el periodo de juego fueron incorporados al análisis como variables situacionales. Tres estudios compusieron el núcleo de la tesis. En el primer estudio, analizamos la coordinación entre las series temporales que representan el proceso goleador a lo largo del partido de cada uno de los dos equipos que se enfrentan. Autocorrelaciones, correlaciones cruzadas, doble media móvil y transformada de Hilbert fueron usadas para el análisis. El proceso goleador de los equipos presentó una alta consistencia a lo largo de todos los partidos, así como fuertes modos de coordinación en fase en todos los contextos de juego. Las únicas diferencias se encontraron en relación al periodo de juego. La coordinación en los procesos goleadores de los equipos fue significativamente menor en el 1er y 2º periodo (0–10 min y 10–20 min), mostrando una clara coordinación creciente a medida que el partido avanzaba. Esto sugiere que son los 20 primeros minutos aquellos que rompen los partidos. En el segundo estudio, analizamos los efectos temporales (efecto inmediato, a corto y a medio plazo) de los tiempos muertos en el rendimiento goleador de los equipos. Modelos de regresión lineal múltiple fueron empleados para el análisis. Los resultados mostraron incrementos de 0.59, 1.40 y 1.85 goles para los periodos que comprenden la primera, tercera y quinta posesión de los equipos que pidieron el tiempo muerto. Inversamente, se encontraron efectos significativamente negativos para los equipos rivales, con decrementos de 0.50, 1.43 y 2.05 goles en los mismos periodos respectivamente. La influencia de las variables situacionales solo se registró en ciertos periodos de juego. Finalmente, en el tercer estudio, analizamos los efectos temporales de las exclusiones de los jugadores sobre el rendimiento goleador de los equipos, tanto para los equipos que sufren la exclusión (inferioridad numérica) como para los rivales (superioridad numérica). Se emplearon modelos de regresión lineal múltiple para el análisis. Los resultados mostraron efectos negativos significativos en el número de goles marcados por los equipos con un jugador menos, con decrementos de 0.25, 0.40, 0.61, 0.62 y 0.57 goles para los periodos que comprenden el primer, segundo, tercer, cuarto y quinto minutos previos y posteriores a la exclusión. Para los rivales, los resultados mostraron efectos positivos significativos, con incrementos de la misma magnitud en los mismos periodos. Esta tendencia no se vio afectada por el estado del marcador, localización del partido, nivel de los oponentes o periodo de juego. Los incrementos goleadores fueron menores de lo que se podría esperar de una superioridad numérica de 2 minutos. Diferentes teorías psicológicas como la paralización ante situaciones de presión donde se espera un gran rendimiento pueden ayudar a explicar este hecho. Los últimos capítulos de la tesis enumeran las conclusiones principales y presentan diferentes aplicaciones prácticas que surgen de los tres estudios. Por último, se presentan las limitaciones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT The purpose of this thesis was to investigate the offensive performance of elite handball teams when considering handball as a complex non-linear dynamical system. The time-dependent dynamic approach was adopted to assess teams’ performance during the game. The overall sample comprised the 240 games played in the season 2011-2012 of men’s Spanish Professional Handball League (ASOBAL League). In the subsequent analyses, only close games (final goal-difference ≤ 5; n = 142) were considered. Match status, game location, quality of opposition, and game period situational variables were incorporated into the analysis. Three studies composed the core of the thesis. In the first study, we analyzed the game-scoring coordination between the time series representing the scoring processes of the two opposing teams throughout the game. Autocorrelation, cross-correlation, double moving average, and Hilbert transform were used for analysis. The scoring processes of the teams presented a high consistency across all the games as well as strong in-phase modes of coordination in all the game contexts. The only differences were found when controlling for the game period. The coordination in the scoring processes of the teams was significantly lower for the 1st and 2nd period (0–10 min and 10–20 min), showing a clear increasing coordination behavior as the game progressed. This suggests that the first 20 minutes are those that break the game-scoring. In the second study, we analyzed the temporal effects (immediate effect, short-term effect, and medium-term effect) of team timeouts on teams’ scoring performance. Multiple linear regression models were used for the analysis. The results showed increments of 0.59, 1.40 and 1.85 goals for the periods within the first, third and fifth timeout ball possessions for the teams that requested the timeout. Conversely, significant negative effects on goals scored were found for the opponent teams, with decrements of 0.59, 1.43 and 2.04 goals for the same periods, respectively. The influence of situational variables on the scoring performance was only registered in certain game periods. Finally, in the third study, we analyzed the players’ exclusions temporal effects on teams’ scoring performance, for the teams that suffer the exclusion (numerical inferiority) and for the opponents (numerical superiority). Multiple linear regression models were used for the analysis. The results showed significant negative effects on the number of goals scored for the teams with one less player, with decrements of 0.25, 0.40, 0.61, 0.62, and 0.57 goals for the periods within the previous and post one, two, three, four and five minutes of play. For the opponent teams, the results showed positive effects, with increments of the same magnitude in the same game periods. This trend was not affected by match status, game location, quality of opposition, or game period. The scoring increments were smaller than might be expected from a 2-minute numerical playing superiority. Psychological theories such as choking under pressure situations where good performance is expected could contribute to explain this finding. The final chapters of the thesis enumerate the main conclusions and underline the main practical applications that arise from the three studies. Lastly, limitations and future research directions are described.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Design and integration of lower ports for ITER diagnostic systems

All around the ITER vacuum vessel, forty-four ports will provide access to the vacuum vessel for remotehandling operations, diagnostic systems, heating, and vacuum systems: 18 upper ports, 17 equatorialports, and 9 lower ports. Among the lower ports, three of them will be used for the remote handlinginstallation of the ITER divertor. Once the divertor is in place, these ports will host various diagnosticsystems mounted in the so-called diagnostic racks. The diagnostic racks must allow the support andcooling of the diagnostics, extraction of the required diagnostic signals, and providing access and main-tainability while minimizing the leakage of radiation toward the back of the port where the humans areallowed to enter. A fully integrated inner rack, carrying the near plasma diagnostic components, will bean stainless steel structure, 4.2 m long, with a maximum weight of 10 t. This structure brings water forcooling and baking at maximum temperature of 240?C and provides connection with gas, vacuum andelectric services. Additional racks (placed away from plasma and not requiring cooling) may be requiredfor the support of some particular diagnostic components. The diagnostics racks and its associated exvessel structures, which are in its conceptual design phase, are being designed to survive the lifetimeof ITER of 20 years. This paper presents the current state of development including interfaces, diagnos-tic integration, operation and maintenance, shielding requirements, remote handling, loads cases anddiscussion of the main challenges coming from the severe environment and engineering requirements.