Numerical and Experimental Studies of Sail Aerodynamics

The purpose of this investigation was the determination of the aerodynamic performance of sails and gain knowledge of the phenomena involved in order to improve the aerody¬namic characteristics. In this research, the airflow around different sails in four scenarios was studied. The method to analyze these scenarios was the combination of numerical simulations and experimental tests by taking advantage of the best of each tool. Two different Com¬putational Fluid Dynamic codes were utilized: the ANSYS-CFX and the CD-Adapco’s STAR-CCM+. The experimental tests were conducted in the Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel at the Universidad de Granada (Spain), the Twisted Flow Wind Tunnel at the University of Auckland (New Zealand) and the A9 Wind Tunnel at the Universidad Polit´ecnica de Madrid (Spain). Through this research, it was found the three-dimensional effect of the mast on the aerodynamic performance of an IMS Class boat. The pressure distribution on a Transpac 52 Class mainsail was also determined. Moreover, the aerodynamic perfor¬mance of the 43ft and 60ft Dhow Classes was obtained. Finally, a feasibility study was conducted to use a structural wing in combination with conventional propulsions systems. The main conclusion was that this research clarified gaps on the knowledge of the aerodynamic performance of sails. Moreover, since commercial codes were not specifically designed to study sails, a procedure was developed. On the other hand, innovative experimental techniques were used and applied to model-scale sails. The achievements of this thesis are promising and some of the results are already in use by the industry on a daily basis. El propósito de este estudio era determinar el comportamiento aerodinámico de unas velas y mejorar el conocimiento de los fenómenos que suceden para optimizar las características aerodinámicas de dichas velas. En esta investigación se estudió el flujo de aire alrededor de diferentes velas en cuatro escenarios. El método para analizar estos escenarios fue la combinación de simulaciones numéricas y ensayos experimentales mediante el aprovechamiento de las ventajas de cada herramienta. Se utilizaron dos códigos de dinámica de fluidos computacional: el ANSYS-CFX y el STAR-CCM+ de la empresa CD-Adapco. Los ensayos experimentales se desarrollaron en el túnel de viento de capa límite de la Universidad de Granada (España), el túnel de viento de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) y en el túnel A9 de la Universidad Politécnica de Madrid (España). Mediante esta investigación, se determinó el efecto tridimensional del mástil en un velero de la clase IMS. También se describió la distribución de presiones sobre una mayor de un Transpac 52. Además, se obtuvo el comportamiento aerodinámico de las clases 43ft y 60ft de los veleros Dhows. Finalmente, se llevó a cabo un estudio de viabilidad de la utilización de un ala estructural en combinación con sistemas de propulsión convencionales. La conclusión principal de esta investigación fue la capacidad de explicar ciertas lagunas en el conocimiento del comportamiento aerodinámico de las velas en diferentes escenarios. Además, dado que los códigos comerciales no están específicamente diseñados para el estudio de velas, se desarrolló un procedimiento a tal efecto. Por otro lado, se han utilizado innovadoras técnicas experimentales y se han aplicado a modelos de velas a escala. Los logros de esta investigación son prometedores y algunos de los resultados obtenidos ya están siendo utilizados por la industria en su día a día.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Modelling of spectral properties and population kinetics studies of inertial fusión and laboratory astrophysical plasmas

Fundamental research and modelling in plasma atomic physics continue to be essential for providing basic understanding of many different topics relevant to high-energy-density plasmas. The Atomic Physics Group at the Institute of Nuclear Fusion has accumulated experience over the years in developing a collection of computational models and tools for determining the atomic energy structure, ionization balance and radiative properties of, mainly, inertial fusion and laser-produced plasmas in a variety of conditions. In this work, we discuss some of the latest advances and results of our research, with emphasis on inertial fusion and laboratory-astrophysical applications.

Prediction of wake effects on wind farm power production using a RANS approach. Part II. Offshore: Case studies from the UPWIND project

The estimation of power losses due to wind turbine wakes is crucial to understanding overall wind farm economics. This is especially true for large offshore wind farms, as it represents the primary source of losses in available power, given the regular arrangement of rotors, their generally largerdiameter and the lower ambient turbulence level, all of which conspire to dramatically affect wake expansion and, consequently, the power deficit. Simulation of wake effects in offshore wind farms (in reasonable computational time) is currently feasible using CFD tools. An elliptic CFD model basedon the actuator disk method and various RANS turbulence closure schemes is tested and validated using power ratios extracted from Horns Rev and Nysted wind farms, collected as part of the EU-funded UPWIND project. The primary focus of the present work is on turbulence modeling, as turbulent mixing is the main mechanism for flow recovery inside wind farms. A higher-order approach, based on the anisotropic RSM model, is tested to better take into account the imbalance in the length scales inside and outside of the wake, not well reproduced by current two-equation closure schemes.

Core physics and safety analysis of Generation-IV Sodium Fast Reactors using existing and newly developed computational tools

El futuro de la energía nuclear de fisión dependerá, entre otros factores, de la capacidad que las nuevas tecnologías demuestren para solventar los principales retos a largo plazo que se plantean. Los principales retos se pueden resumir en los siguientes aspectos: la capacidad de proporcionar una solución final, segura y fiable a los residuos radiactivos; así como dar solución a la limitación de recursos naturales necesarios para alimentar los reactores nucleares; y por último, una mejora robusta en la seguridad de las centrales que en definitiva evite cualquier daño potencial tanto en la población como en el medio ambiente como consecuencia de cualquier escenario imaginable o más allá de lo imaginable. Siguiendo estas motivaciones, la Generación IV de reactores nucleares surge con el compromiso de proporcionar electricidad de forma sostenible, segura, económica y evitando la proliferación de material fisible. Entre los sistemas conceptuales que se consideran para la Gen IV, los reactores rápidos destacan por su capacidad potencial de transmutar actínidos a la vez que permiten una utilización óptima de los recursos naturales. Entre los refrigerantes que se plantean, el sodio parece una de las soluciones más prometedoras. Como consecuencia, esta tesis surgió dentro del marco del proyecto europeo CP-ESFR con el principal objetivo de evaluar la física de núcleo y seguridad de los reactores rápidos refrigerados por sodio, al tiempo que se desarrollaron herramientas apropiadas para dichos análisis. Efectivamente, en una primera parte de la tesis, se abarca el estudio de la física del núcleo de un reactor rápido representativo, incluyendo el análisis detallado de la capacidad de transmutar actínidos minoritarios. Como resultado de dichos análisis, se publicó un artículo en la revista Annals of Nuclear Energy [96]. Por otra parte, a través de un análisis de un hipotético escenario nuclear español, se evalúo la disponibilidad de recursos naturales necesarios en el caso particular de España para alimentar una flota específica de reactores rápidos, siguiendo varios escenarios de demanda, y teniendo en cuenta la capacidad de reproducción de plutonio que tienen estos sistemas. Como resultado de este trabajo también surgió una publicación en otra revista científica de prestigio internacional como es Energy Conversion and Management [97]. Con objeto de realizar esos y otros análisis, se desarrollaron diversos modelos del núcleo del ESFR siguiendo varias configuraciones, y para diferentes códigos. Por otro lado, con objeto de poder realizar análisis de seguridad de reactores rápidos, son necesarias herramientas multidimensionales de alta fidelidad específicas para reactores rápidos. Dichas herramientas deben integrar fenómenos relacionados con la neutrónica y con la termo-hidráulica, entre otros, mediante una aproximación multi-física. Siguiendo este objetivo, se evalúo el código de difusión neutrónica ANDES para su aplicación a reactores rápidos. ANDES es un código de resolución nodal que se encuentra implementado dentro del sistema COBAYA3 y está basado en el método ACMFD. Por lo tanto, el método ACMFD fue sometido a una revisión en profundidad para evaluar su aptitud para la aplicación a reactores rápidos. Durante ese proceso, se identificaron determinadas limitaciones que se discutirán a lo largo de este trabajo, junto con los desarrollos que se han elaborado e implementado para la resolución de dichas dificultades. Por otra parte, se desarrolló satisfactoriamente el acomplamiento del código neutrónico ANDES con un código termo-hidráulico de subcanales llamado SUBCHANFLOW, desarrollado recientemente en el KIT. Como conclusión de esta parte, todos los desarrollos implementados son evaluados y verificados. En paralelo con esos desarrollos, se calcularon para el núcleo del ESFR las secciones eficaces en multigrupos homogeneizadas a nivel nodal, así como otros parámetros neutrónicos, mediante los códigos ERANOS, primero, y SERPENT, después. Dichos parámetros se utilizaron más adelante para realizar cálculos estacionarios con ANDES. Además, como consecuencia de la contribución de la UPM al paquete de seguridad del proyecto CP-ESFR, se calcularon mediante el código SERPENT los parámetros de cinética puntual que se necesitan introducir en los típicos códigos termo-hidráulicos de planta, para estudios de seguridad. En concreto, dichos parámetros sirvieron para el análisis del impacto que tienen los actínidos minoritarios en el comportamiento de transitorios. Concluyendo, la tesis presenta una aproximación sistemática y multidisciplinar aplicada al análisis de seguridad y comportamiento neutrónico de los reactores rápidos de sodio de la Gen-IV, usando herramientas de cálculo existentes y recién desarrolladas ad' hoc para tal aplicación. Se ha empleado una cantidad importante de tiempo en identificar limitaciones de los métodos nodales analíticos en su aplicación en multigrupos a reactores rápidos, y se proponen interesantes soluciones para abordarlas. ABSTRACT The future of nuclear reactors will depend, among other aspects, on the capability to solve the long-term challenges linked to this technology. These are the capability to provide a definite, safe and reliable solution to the nuclear wastes; the limitation of natural resources, needed to fuel the reactors; and last but not least, the improved safety, which would avoid any potential damage on the public and or environment as a consequence of any imaginable and beyond imaginable circumstance. Following these motivations, the IV Generation of nuclear reactors arises, with the aim to provide sustainable, safe, economic and proliferationresistant electricity. Among the systems considered for the Gen IV, fast reactors have a representative role thanks to their potential capacity to transmute actinides together with the optimal usage of natural resources, being the sodium fast reactors the most promising concept. As a consequence, this thesis was born in the framework of the CP-ESFR project with the generic aim of evaluating the core physics and safety of sodium fast reactors, as well as the development of the approppriated tools to perform such analyses. Indeed, in a first part of this thesis work, the main core physics of the representative sodium fast reactor are assessed, including a detailed analysis of the capability to transmute minor actinides. A part of the results obtained have been published in Annals of Nuclear Energy [96]. Moreover, by means of the analysis of a hypothetical Spanish nuclear scenario, the availability of natural resources required to deploy an specific fleet of fast reactor is assessed, taking into account the breeding properties of such systems. This work also led to a publication in Energy Conversion and Management [97]. In order to perform those and other analyses, several models of the ESFR core were created for different codes. On the other hand, in order to perform safety studies of sodium fast reactors, high fidelity multidimensional analysis tools for sodium fast reactors are required. Such tools should integrate neutronic and thermal-hydraulic phenomena in a multi-physics approach. Following this motivation, the neutron diffusion code ANDES is assessed for sodium fast reactor applications. ANDES is the nodal solver implemented inside the multigroup pin-by-pin diffusion COBAYA3 code, and is based on the analytical method ACMFD. Thus, the ACMFD was verified for SFR applications and while doing so, some limitations were encountered, which are discussed through this work. In order to solve those, some new developments are proposed and implemented in ANDES. Moreover, the code was satisfactorily coupled with the thermal-hydraulic code SUBCHANFLOW, recently developed at KIT. Finally, the different implementations are verified. In addition to those developments, the node homogenized multigroup cross sections and other neutron parameters were obtained for the ESFR core using ERANOS and SERPENT codes, and employed afterwards by ANDES to perform steady state calculations. Moreover, as a result of the UPM contribution to the safety package of the CP-ESFR project, the point kinetic parameters required by the typical plant thermal-hydraulic codes were computed for the ESFR core using SERPENT, which final aim was the assessment of the impact of minor actinides in transient behaviour. All in all, the thesis provides a systematic and multi-purpose approach applied to the assessment of safety and performance parameters of Generation-IV SFR, using existing and newly developed analytical tools. An important amount of time was employed in identifying the limitations that the analytical nodal diffusion methods present when applied to fast reactors following a multigroup approach, and interesting solutions are proposed in order to overcome them.

Computational model for local damage assesment of structures

In the last years many studies have been developed to analyze the seismic behavior throug the damage concept. In fact, the evaluation of the structural damage is important in order to quantify the safety of new and existing structures and, also, to establish a framework for seismic retrofitting decision making of structures. Most proposed models are based on a post-earthquake evaluation in such a way they uncouple the computation of the structural response from that of damage. However, there are other models which include explicity the existing coupling between the degradation and the structural mechanical beaviour. Those models are closer to the physical reality and its formulation is based on the principles of Continuum Damage Mechanics. In the present work, a coupled model is formulated using a simplified application of the Continuum Damage Mechanics to the analysis of frames and allows its representation in standard finite element programs. This work is part of the activities developed by the Structural Mechanics Department (UPM) within ICONS (European Research Project on Innovative Seismic Design Concepts for New and Existing Structures).

Conservation of Computational Scientific Execution Environments for Workflow-based Experiments Using Ontologies

La reproducibilidad de estudios y resultados científicos es una meta a tener en cuenta por cualquier científico a la hora de publicar el producto de una investigación. El auge de la ciencia computacional, como una forma de llevar a cabo estudios empíricos haciendo uso de modelos matemáticos y simulaciones, ha derivado en una serie de nuevos retos con respecto a la reproducibilidad de dichos experimentos. La adopción de los flujos de trabajo como método para especificar el procedimiento científico de estos experimentos, así como las iniciativas orientadas a la conservación de los datos experimentales desarrolladas en las últimas décadas, han solucionado parcialmente este problema. Sin embargo, para afrontarlo de forma completa, la conservación y reproducibilidad del equipamiento computacional asociado a los flujos de trabajo científicos deben ser tenidas en cuenta. La amplia gama de recursos hardware y software necesarios para ejecutar un flujo de trabajo científico hace que sea necesario aportar una descripción completa detallando que recursos son necesarios y como estos deben de ser configurados. En esta tesis abordamos la reproducibilidad de los entornos de ejecución para flujos de trabajo científicos, mediante su documentación usando un modelo formal que puede ser usado para obtener un entorno equivalente. Para ello, se ha propuesto un conjunto de modelos para representar y relacionar los conceptos relevantes de dichos entornos, así como un conjunto de herramientas que hacen uso de dichos módulos para generar una descripción de la infraestructura, y un algoritmo capaz de generar una nueva especificación de entorno de ejecución a partir de dicha descripción, la cual puede ser usada para recrearlo usando técnicas de virtualización. Estas contribuciones han sido aplicadas a un conjunto representativo de experimentos científicos pertenecientes a diferentes dominios de la ciencia, exponiendo cada uno de ellos diferentes requisitos hardware y software. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de propuesta desarrollada, reproduciendo de forma satisfactoria los experimentos estudiados en diferentes entornos de virtualización. ABSTRACT Reproducibility of scientific studies and results is a goal that every scientist must pursuit when announcing research outcomes. The rise of computational science, as a way of conducting empirical studies by using mathematical models and simulations, have opened a new range of challenges in this context. The adoption of workflows as a way of detailing the scientific procedure of these experiments, along with the experimental data conservation initiatives that have been undertaken during last decades, have partially eased this problem. However, in order to fully address it, the conservation and reproducibility of the computational equipment related to them must be also considered. The wide range of software and hardware resources required to execute a scientific workflow implies that a comprehensive description detailing what those resources are and how they are arranged is necessary. In this thesis we address the issue of reproducibility of execution environments for scientific workflows, by documenting them in a formalized way, which can be later used to obtain and equivalent one. In order to do so, we propose a set of semantic models for representing and relating the relevant information of those environments, as well as a set of tools that uses these models for generating a description of the infrastructure, and an algorithmic process that consumes these descriptions for deriving a new execution environment specification, which can be enacted into a new equivalent one using virtualization solutions. We apply these three contributions to a set of representative scientific experiments, belonging to different scientific domains, and exposing different software and hardware requirements. The obtained results prove the feasibility of the proposed approach, by successfully reproducing the target experiments under different virtualization environments.