Mathematical and Numerical Modeling in Maritime Geomechanics

A theoretical and numerical framework to model the foundation of marine offshore structures is presented. The theoretical model is composed by a system of partial differential equations describing coupling between seabed solid skeleton and pore fluids (water, air, oil,…) combined with a system of ordinary differential equations describing the specific constitutive relation of the seabed soil skeleton. Once the theoretical model is described, the finite element numerical procedure to achieve an approximate solution of the governing equations is outlined. In order to validate the proposed theoretical and numerical framework the seaward tilt mechanism induced by the action of breaking waves over a vertical breakwater is numerically reproduced. The results numerically attained are in agreement with the main conclusions drawn from the literature associated with this failure mechanism

Physical and mathematical modeling of wave propagation in the Ariane 5 VEB structure

The separation of the lower stage of the ARIANE 5 Vehicle Equipment Bay (VEB) Structure is to be done using a pyrotechnic device. The wave propagation effects produced by the explosion can affect the electronic equipment, so it was decided to analyze, using both physical and numerical modeling, a small piece of the structure to determine the distribution of the accelerations and the relative importance of damping, stiffness, connections, etc. on the response of the equipment.

Development of a wake model for wind farms based on an open source CFD solver. Strategies on parabolization and turbulence modeling

Wake effect represents one of the most important aspects to be analyzed at the engineering phase of every wind farm since it supposes an important power deficit and an increase of turbulence levels with the consequent decrease of the lifetime. It depends on the wind farm design, wind turbine type and the atmospheric conditions prevailing at the site. Traditionally industry has used analytical models, quick and robust, which allow carry out at the preliminary stages wind farm engineering in a flexible way. However, new models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are needed. These models must increase the accuracy of the output variables avoiding at the same time an increase in the computational time. Among them, the elliptic models based on the actuator disk technique have reached an extended use during the last years. These models present three important problems in case of being used by default for the solution of large wind farms: the estimation of the reference wind speed upstream of each rotor disk, turbulence modeling and computational time. In order to minimize the consequence of these problems, this PhD Thesis proposes solutions implemented under the open source CFD solver OpenFOAM and adapted for each type of site: a correction on the reference wind speed for the general elliptic models, the semi-parabollic model for large offshore wind farms and the hybrid model for wind farms in complex terrain. All the models are validated in terms of power ratios by means of experimental data derived from real operating wind farms.

Participatory design and business modeling

En este proyecto miraremos como los campos de Diseño Participativo de las tecnologías de la información (DP, Participatory IT Design) y el diseño empresarial de modelos de negocio interactúan entre sí. Exploraremos el hueco que existe en los asuntos que aborda un proyecto de DP señalado por Kyng (2010). DP es una forma de enfocar el diseño para diseñar sistemas informáticos que tiene su propia ideología, haciendo mucho hincapié en la participación de los usuarios en el proceso. Esta ideología propia de DP da paso a un conjunto de métodos y herramientas para diseñar. DP tiene sus orígenes en Escandinavia en la década de los setenta cuando cambios de progreso social de la sociedad se introdujeron en el lugar de trabajo. Ya hay algunos investigadores del campo de DP que empiezan a estudiar este hueco señalado por Kyng. Un modelo de negocios es la forma en que un negocio crea, entrega y captura valor. En las últimas décadas las empresas informáticas han cambiado su modelo de negocios, transformándose en una oferta de servicios informáticos mayoritariamente. El mundo empresarial ya conoce los beneficios de las metodologías de diseño orientadas al usuario, sin embargo no acaban de ser adoptadas por las empresas informáticas. En el proyecto buscamos responder a las preguntas que surgen al juntar estas dos áreas de estudio. ¿Cómo interpreta la comunidad de DP el mundo empresarial? ¿La teoría empresarial como trata la metodología de diseño orientado al usuario? ¿Cómo afecta en una compañía real su política de usuario a su modelo de negocio y que técnicas utilizan para involucrar al usuario? ¿Qué intereses comunes y opuestos existen entre DP y el mundo empresarial? ¿Cuál es el futuro de DP en el mundo empresarial? En cuanto a la metodología del proyecto realice un estudio de la literatura de los campos de DP y el mundo empresarial usando fuentes recomendadas por expertos de cada área así como trabajos encontrados por mi propia cuenta que eran relevantes al tema tratado. Además realice un estudio de compañías desarrolladoras de software locales a Copenhague. Mediante una serie de visitas y entrevistas con esas compañías obtuve información del modelo de negocio y proceso de desarrollo de software de las mismas. También dialogamos en cuanto a su visión de DP y metodologías de diseño orientado al usuario y como se podrían beneficiar de ellas. Durante el desarrollo del proyecto he encontrado que DP y el mundo empresarial tienen dos visiones muy diferentes. Mientras uno busca obtener el máximo beneficio el otro busca apoderar a los usuarios en su área de trabajo. Aunque al igual que DP las empresas necesitan obtener información acerca de los usuario como sus necesidades, gustos, etc. Está claro que el software producido para el mundo empresarial tiene mucho espacio para mejorar ya que suele venir con manuales de instrucciones extensos y es necesario un entrenamiento previo para su utilización. Un problema importante de la introducción de DP en las empresas es la falta de predisposición de los usuarios en colaborar en el proceso de desarrollo ya que no hay demasiada tendencia a usuarios a dar feedback. El trabajo de investigacion de Timpka y Vimarlund (1998) Participatory Design In Economic Terms: A Theoretical Discussion llega a la conclusión de que DP es económicamente favorable para los desarrolladores. Pero omite muchos factores críticos de la economía de una empresa. En cuanto al futuro de DP en el mundo empresarial, DP tiene que adaptarse a las compañías desarrolladoras de software. A sus necesidades y teniendo en cuenta sus límites de recursos. Pero hay ciertos aspectos que deben ser abordados. El primer aspecto es el uso de recursos en las técnicas de DP, ya que utilizan demasiados. Otro aspecto que debería abordar es el uso de las nuevas tecnologías de comunicación y redes sociales, ya que apenas se han utilizado en DP. Mientras que otras áreas de estudio han hecho uso de estas nuevas tecnologías y se han revolucionado DP no ha sido capaz de integrarlas en sus técnicas. Por último en el proyecto realizo una comparativa del actual modelo de negocios y proceso de desarrollo de software de la compañía Forecast.it. En esta comparativa miro como cambiaria el negocio en el caso de que se produjeran cambios en ella al introducir la ideología de DP. Donde más se notan los cambios seria en su esquema de desarrollo de software ya que habría que hacer hueco para nuevos factores y pasos.

Emission inventories and modeling requirements for the development of air quality plans. Application to Madrid (Spain)

Modeling is an essential tool for the development of atmospheric emission abatement measures and air quality plans. Most often these plans are related to urban environments with high emission density and population exposure. However, air quality modeling in urban areas is a rather challenging task. As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large urban areas across Europe, particularly for NO2. This also implies that emission inventories must satisfy a number of conditions such as consistency across the spatial scales involved in the analysis, consistency with the emission inventories used for regulatory purposes and versatility to match the requirements of different air quality and emission projection models. This study reports the modeling activities carried out in Madrid (Spain) highlighting the atmospheric emission inventory development and preparation as an illustrative example of the combination of models and data needed to develop a consistent air quality plan at urban level. These included a series of source apportionment studies to define contributions from the international, national, regional and local sources in order to understand to what extent local authorities can enforce meaningful abatement measures. Moreover, source apportionment studies were conducted in order to define contributions from different sectors and to understand the maximum feasible air quality improvement that can be achieved by reducing emissions from those sectors, thus targeting emission reduction policies to the most relevant activities. Finally, an emission scenario reflecting the effect of such policies was developed and the associated air quality was modeled.

Analysis of Contributions to NO2 Ambient Air Quality Levels in Madrid City (Spain) through Modeling. Implications for the Development of Policies and Air Quality Monitoring

As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large cities across Europe, particularly for NO2. Modeling air quality in urban areas is rather complex since observed concentration values are a consequence of the interaction of multiple sources and processes that involve a wide range of spatial and temporal scales. Besides a consistent and robust multi-scale modeling system, comprehensive and flexible emission inventories are needed. This paper discusses the application of the WRF-SMOKE-CMAQ system to the Madrid city (Spain) to assess the contribution of the main emitting sectors in the region. A detailed emission inventory was compiled for this purpose. This inventory relies on bottom-up methods for the most important sources. It is coupled with the regional traffic model and it makes use of an extensive database of industrial, commercial and residential combustion plants. Less relevant sources are downscaled from national or regional inventories. This paper reports the methodology and main results of the source apportionment study performed to understand the origin of pollution (main sectors and geographical areas) and define clear targets for the abatement strategy. Finally the structure of the air quality monitoring is analyzed and discussed to identify options to improve the monitoring strategy not only in the Madrid city but the whole metropolitan area.

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

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