Simulation of plasma flows in divergent magnetic nozzles

Images from the simulation code DIMAGNO illustrate the roles of pressure, electric, and magnetic forces in the 2-D plasma expansion in a magnetic nozzle and the generation of thrust

Coupling time-stepping numerical methods and standard aerodynamics codes for instability analysis of flows in complex geometries

The development of a global instability analysis code coupling a time-stepping approach, as applied to the solution of BiGlobal and TriGlobal instability analysis 1, 2 and finite-volume-based spatial discretization, as used in standard aerodynamics codes is presented. The key advantage of the time-stepping method over matrix-formulation approaches is that the former provides a solution to the computer-storage issues associated with the latter methodology. To-date both approaches are successfully in use to analyze instability in complex geometries, although their relative advantages have never been quantified. The ultimate goal of the present work is to address this issue in the context of spatial discretization schemes typically used in industry. The time-stepping approach of Chiba 3 has been implemented in conjunction with two direct numerical simulation algorithms, one based on the typically-used in this context high-order method and another based on low-order methods representative of those in common use in industry. The two codes have been validated with solutions of the BiGlobal EVP and it has been showed that small errors in the base flow do not have affect significantly the results. As a result, a three-dimensional compressible unsteady second-order code for global linear stability has been successfully developed based on finite-volume spatial discretization and time-stepping method with the ability to study complex geometries by means of unstructured and hybrid meshes

Flujos de gases de efecto invernadero en suelos forestales y agroforestales del centro de la Península Ibérica=Greenhouse gas flows in forest and agroforestry soils in the center of the Iberian Peninsula

Debido a la complejidad de los procesos que controlan el intercambio de gases de carbono (C) y nitrógeno (N) entre el suelo y la atmósfera, en los sistemas forestales y agroforestales, son comprensibles las incógnitas existentes respecto a la estimación de los flujos de los gases de efecto invernadero (GEI) y la capacidad como reservorios de carbono de los suelos, bajo diferentes formas de uso y regímenes de alteración a escala regional y global. Esta escasez de información justifica la necesidad de caracterizar la dinámica de intercambio de GEI en los ecosistemas Mediterráneos, en especial en el contexto actual de cambio climático, y el incremento asociado de temperatura y periodos de sequía, alteración de los patrones de precipitación, y el riesgo de incendios forestales; cuyas consecuencias afectarán tanto a los compartimentos de C y de N del suelo como a la capacidad de secuestro de C de estos ecosistemas. Dentro de este contexto se enmarca la presente tesis doctoral cuyo objetivo ha sido cuantificar y caracterizar los flujos de dióxido de carbono (CO2), de oxido nitroso (N2O) y de metano (CH4), junto con los stocks de C y N, en suelos forestales de Quercus ilex, Quercus pyrenaica y Pinus sylvestris afectados por incendios forestales; así como el estudiar el efecto de la gestión y la cubierta arbórea en la respiración del suelo y los stocks de C y N en una dehesa situada en el centro de la Península Ibérica. De manera que los flujos de CO2, N2O y CH4; y los parámetros físico-químicos y biológicos del suelo fueron estudiados en los diferentes tratamientos y ecosistemas a lo largo del trabajo que se presenta. Los resultados obtenidos muestran la existencia de variaciones temporales y espaciales de la respiración del suelo dentro de una escala geográfica pequeña, controladas principalmente por la temperatura y la humedad del suelo; y por los contenidos de C y N del suelo en un bosque de Pinus sylvestris en la vertiente norte de la Sierra de Guadarrama , en España. El análisis de los efectos de los incendios forestales a largo plazo (6-8 años) revela que las pérdidas anuales de C a través de la respiración del suelo en las zonas quemadas de Quercus ilex, Quercus pyrenaica y Pinus sylvestris fueron 450 gCm-2yr-1, 790 gCm-2yr-1 y 1220 gCm-2yr-1, respectivamente; lo que representa una reducción del 43%, 22% y 11% en comparación con las zonas no quemadas de dichas especies, debido a la destrucción de la masa arbórea. El efecto del fuego también alteró los flujos N2O y CH4 del suelo, de una forma diferente en los distintos ecosistemas y estacionalidades estudiadas. De tal modo, que los suelos quemados mostraron una mayor oxidación del CH4 en las masas de Q. ilex, y una menor oxidación en las de P. sylvestris; además de una disminución de los flujos de N2O en Q. pyrenaica. Los incendios también afectaron los parámetros microclimáticos de los suelos forestales, observándose un incremento de la temperatura del suelo y una disminución de la humedad en los emplazamientos quemados que en los no quemados. Los cationes intercambiables, el pH, el cociente C/N, el contenido en raicillas y la biomasa microbiana también disminuyeron en las zonas quemadas. Aunque el C orgánico del suelo no se alteró de manera significativa, si lo hizo la calidad de la materia orgánica, disminuyendo el carbono lábil y aumentando las formas recalcitrantes lo que se tradujo en menor sensibilidad de la respiración del suelo a la temperatura (valores de Q10) en las zonas quemadas. Los resultados del estudio realizado en la Dehesa muestran que las actividades silvopastorales estudiadas afectaron levemente y de forma no constante a la respiración del suelo y las condiciones microclimáticas del suelo. Se observó una reducción 12% de la respiración del suelo por efecto del pastoreo no intensivo. Sin embargo, se observaron incrementos de 3Mg/ha en los stocks de C y de 0.3 Mg/ha en los stocks de N en los suelos pastoreados en comparación con los no pastoreados. Aunque, no se observó un claro efecto de la labranza sobre la respiración del suelo en nuestro experimento, sin embargo si se observó una disminución de 3.5 Mg/ha en las reservas de C y de 0.3 Mg/ ha en las de N en los suelos labrados comparados con los no labrados. La copa del arbolado influyó de forma positiva tanto en la respiración del suelo, como en los stocks de C y N de los suelos. La humedad del suelo jugó un papel relevante en la sensibilidad de la respiración a la temperatura del suelo. Nuestros resultados ponen de manifiesto la sensibilidad de la respiración del suelo a cambios en la humedad y los parámetros edáficos, y sugieren que la aplicación de modelos estándar para estimar la respiración del suelo en áreas geográficas pequeñas puede no ser adecuada a menos que otros factores sean considerados en combinación con la temperatura del suelo. Además, las diferentes respuestas de los flujos de gases de efecto invernadero a los cambios, años después de la ocurrencia de incendios forestales, destaca la necesidad de incluir estos cambios en las futuras investigaciones de la dinámica del carbono en los ecosistemas mediterráneos. Por otra parte, las respuestas divergentes en los valores de respiración del suelo y en los contenidos de C y N del suelo observados en la dehesa, además de la contribución de la copa de los árboles en los nutrientes del suelo ilustran la importancia de mantener la gestión tradicional aplicada en beneficio de la capacidad de almacenar C en la dehesa estudiada. La información obtenida en este trabajo pretende contribuir a la mejora del conocimiento de la dinámica y el balance de C en los sistemas mediterráneos, además de ayudar a predecir el impacto del cambio climático en el intercambio de C entre los ecosistemas forestales y agroforestales y la atmósfera. ABSTRACT Due to the complexity of the processes that control the exchange of carbon (C) and nitrogen (N) gasses between soils and the atmosphere in forest and agroforestry ecosystems, understandable uncertainties exist as regards the estimation of greenhouse gas (GHG) fluxes and the soil sink capacity at regional and global scale under different forms of land use and disturbance regimes. These uncertainties justify the need to characterize the exchange dynamics of GHG between the atmosphere and soils in Mediterranean terrestrial ecosystems, particularly in the current context of climate change and the associated increase in temperature, drought periods, heavy rainfall events, and increased risk of wildfires, which affect not only the C and N pools but also the soil C sink capacity of these ecosystems. Within this context, the aims of the present thesis were, firstly, to quantify and characterize the fluxes of carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) as well as the C and N stocks in Quercus ilex, Quercus pyrenaica and Pinus sylvestris stands affected by wildfires, and secondly, to study the effects of Quercus ilex canopy and management on both soil respiration and C and N pools in dehesa systems in the center of Iberian Peninsula. Soil CO2, N2O and CH4 fluxes, and soil physical-chemical and biological parameters were studied under the different treatments and ecosystems considered in this study. The results showed seasonal and spatial variations in soil respiration within small geographic areas, mainly controlled by soil temperature and moisture in addition to soil carbon and nitrogen stocks in mixed pine–oak forest ecosystems on the north facing slopes of the Sierra de Guadarrama in Spain. The analysis of long term effects of wildfires (6–8 years) revealed that annual carbon losses through soil respiration from burned sites in Quercus ilex, Quercus pyrenaica and Pinus sylvestris stands were 450 gCm-2yr-1, 790 gCm-2yr-1 and 1220 gCm-2yr-1, respectively; with burned sites emitting 43%, 22% and 11% less in burned as opposed to non-burned sites due the loss of trees. Fire may alter both N2O and CH4 fluxes although the magnitude of such variation depends on the site, soil characteristics and seasonal climatic conditions. The burned sites showed higher CH4 oxidation in Q.ilex stands, and lower oxidation rates in P. sylvestris stands. A reduction in N2O fluxes in Q. pyrenaica stands was detected at burned sites along with changes in soil microclimate; higher soil temperature and lower soil moisture content. Exchangeable cations, the C/N ratio, pH, fine root and microbial biomass were also found to decrease at burned sites. Although the soil organic carbon was not significantly altered, the quality of the organic matter changed, displaying a decrease in labile carbon and a relative increase in refractory forms, leading to lower sensitivity of soil respiration to temperature (Q10 values) at burned sites. The results from the dehesa study show that light grazing and superficial tilling practices used in the studied dehesa system in Spain had a slight but non-consistent impact on soil respiration and soil microclimate over the study period. The reduction in soil respiration in the dehesa system due to the effects of grazing was around 12 %. However, increments of 3Mg/ha in C stocks and 0.3 Mg/ha in N stocks in grazed soils were observed. Although no clear effect of tilling on soil respiration was found, a decrease of 3.5 Mg/ha in C stocks and 0.3 Mg/ha in N stocks was detected for tilled soils. The presence of a tree canopy induced increases in soil respiration, soil C and N stocks, while soil moisture was found to play an important role in soil respiration temperature response. Our results suggest that the use of standard models to estimate soil respiration in small geographical areas may not be adequate unless other factors are considered in addition to soil temperature. Furthermore, the different responses of GHG flux to climatic shifts, many years after the occurrence of wildfire, highlight the need to include these shifts in C dynamics in future research undertaken in Mediterranean ecosystems. Furthermore, divergent responses in soil respiration and soil C and N stocks to grazing or tilling practices in Dehesa systems, and the influence of tree canopy on soil respiration and soil nutrient content, illustrate the importance of maintaining beneficial management practices. Moreover, the carbon sequestration capacity of the Dehesa system studied may be enhanced through improvements in the management applied. It is hoped that the information obtained through this research will contribute towards improving our understanding of the dynamics and balance of C in Mediterranean systems, and help predict the impact of climate change on the exchange of C between forest and agroforestry ecosystems and the atmosphere.

Enhanced radon emission in natural CO2 flows in Campo de Calatrava region (central Spain)

Activity of radon gas in natural soils is commonly low (in the order of few thousands of Bq·m-3) due to the fast decay (half-life= 3.8 days in the case of 222Rn) that prevents accumulation in soil pores. Exceptionally, high Rn soil activity (up to 430 KBq·m-3) is found around point sources of deep CO2 fluxes. These fluxes allow the transport of trace gases (including Rn) to long distances in the geosphere leading to a potential hazard as Rn accumulation in buildings. CO2 degassing is common in active or ancient volcanic fields and occurs as free gas fluxes or dissolved in groundwater. In this work, the occurrence of Rnbearing, CO2 fluxes from the Campo de Calatrava region in Central Spain has been studied in order to determine their (1) magnitude, (2) migration paths and (3) potential impact on the environment, and (4) methodologies to best detection and measurement.

Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

Coherent structures in statistically-stationary homogeneous shear turbulence

La región cerca de la pared de flujos turbulentos de pared ya está bien conocido debido a su bajo número de Reynolds local y la separación escala estrecha. La región lejos de la pared (capa externa) no es tan interesante tampoco, ya que las estadísticas allí se escalan bien por las unidades exteriores. La región intermedia (capa logarítmica), sin embargo, ha estado recibiendo cada vez más atención debido a su propiedad auto-similares. Además, de acuerdo a Flores et al. (2007) y Flores & Jiménez (2010), la capa logarítmica es más o menos independiente de otras capas, lo que implica que podría ser inspeccionado mediante el aislamiento de otras dos capas, lo que reduciría significativamente los costes computacionales para la simulación de flujos turbulentos de pared. Algunos intentos se trataron después por Mizuno & Jiménez (2013), quien simulan la capa logarítmica sin la región cerca de la pared con estadísticas obtenidas de acuerdo razonablemente bien con los de las simulaciones completas. Lo que más, la capa logarítmica podría ser imitado por otra turbulencia sencillo de cizallamiento de motor. Por ejemplo, Pumir (1996) encontró que la turbulencia de cizallamiento homogéneo estadísticamente estacionario (SS-HST) también irrumpe, de una manera muy similar al proceso de auto-sostenible en flujos turbulentos de pared. Según los consideraciones arriba, esta tesis trata de desvelar en qué medida es la capa logarítmica de canales similares a la turbulencia de cizalla más sencillo, SS-HST, mediante la comparación de ambos cinemática y la dinámica de las estructuras coherentes en los dos flujos. Resultados sobre el canal se muestran mediante Lozano-Durán et al. (2012) y Lozano-Durán & Jiménez (2014b). La hoja de ruta de esta tarea se divide en tres etapas. En primer lugar, SS-HST es investigada por medio de un código nuevo de simulación numérica directa, espectral en las dos direcciones horizontales y compacto-diferencias finitas en la dirección de la cizalla. Sin utiliza remallado para imponer la condición de borde cortante periódica. La influencia de la geometría de la caja computacional se explora. Ya que el HST no tiene ninguna longitud característica externa y tiende a llenar el dominio computacional, las simulaciopnes a largo plazo del HST son ’mínimos’ en el sentido de que contiene sólo unas pocas estructuras media a gran escala. Se ha encontrado que el límite principal es el ancho de la caja de la envergadura, Lz, que establece las escalas de longitud y velocidad de la turbulencia, y que las otras dos dimensiones de la caja debe ser suficientemente grande (Lx > 2LZ, Ly > Lz) para evitar que otras direcciones estando limitado también. También se encontró que las cajas de gran longitud, Lx > 2Ly, par con el paso del tiempo la condición de borde cortante periódica, y desarrollar fuertes ráfagas linealizadas no físicos. Dentro de estos límites, el flujo muestra similitudes y diferencias interesantes con otros flujos de cizalla, y, en particular, con la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. Ellos son exploradas con cierto detalle. Incluyen un proceso autosostenido de rayas a gran escala y con una explosión cuasi-periódica. La escala de tiempo de ruptura es de aproximadamente universales, ~20S~l(S es la velocidad de cizallamiento media), y la disponibilidad de dos sistemas de ruptura diferentes permite el crecimiento de las ráfagas a estar relacionado con algo de confianza a la cizalladura de turbulencia inicialmente isotrópico. Se concluye que la SS-HST, llevado a cabo dentro de los parámetros de cílculo apropiados, es un sistema muy prometedor para estudiar la turbulencia de cizallamiento en general. En segundo lugar, las mismas estructuras coherentes como en los canales estudiados por Lozano-Durán et al. (2012), es decir, grupos de vórticidad (fuerte disipación) y Qs (fuerte tensión de Reynolds tangencial, -uv) tridimensionales, se estudia mediante simulación numérica directa de SS-HST con relaciones de aspecto de cuadro aceptables y número de Reynolds hasta Rex ~ 250 (basado en Taylor-microescala). Se discute la influencia de la intermitencia de umbral independiente del tiempo. Estas estructuras tienen alargamientos similares en la dirección sentido de la corriente a las familias separadas en los canales hasta que son de tamaño comparable a la caja. Sus dimensiones fractales, longitudes interior y exterior como una función del volumen concuerdan bien con sus homólogos de canales. El estudio sobre sus organizaciones espaciales encontró que Qs del mismo tipo están alineados aproximadamente en la dirección del vector de velocidad en el cuadrante al que pertenecen, mientras Qs de diferentes tipos están restringidos por el hecho de que no debe haber ningún choque de velocidad, lo que hace Q2s (eyecciones, u < 0,v > 0) y Q4s (sweeps, u > 0,v < 0) emparejado en la dirección de la envergadura. Esto se verifica mediante la inspección de estructuras de velocidad, otros cuadrantes como la uw y vw en SS-HST y las familias separadas en el canal. La alineación sentido de la corriente de Qs ligada a la pared con el mismo tipo en los canales se debe a la modulación de la pared. El campo de flujo medio condicionado a pares Q2-Q4 encontró que los grupos de vórticidad están en el medio de los dos, pero prefieren los dos cizalla capas alojamiento en la parte superior e inferior de Q2s y Q4s respectivamente, lo que hace que la vorticidad envergadura dentro de las grupos de vórticidad hace no cancele. La pared amplifica la diferencia entre los tamaños de baja- y alta-velocidad rayas asociados con parejas de Q2-Q4 se adjuntan como los pares alcanzan cerca de la pared, el cual es verificado por la correlación de la velocidad del sentido de la corriente condicionado a Q2s adjuntos y Q4s con diferentes alturas. Grupos de vórticidad en SS-HST asociados con Q2s o Q4s también están flanqueadas por un contador de rotación de los vórtices sentido de la corriente en la dirección de la envergadura como en el canal. La larga ’despertar’ cónica se origina a partir de los altos grupos de vórticidad ligada a la pared han encontrado los del Álamo et al. (2006) y Flores et al. (2007), que desaparece en SS-HST, sólo es cierto para altos grupos de vórticidad ligada a la pared asociados con Q2s pero no para aquellos asociados con Q4s, cuyo campo de flujo promedio es en realidad muy similar a la de SS-HST. En tercer lugar, las evoluciones temporales de Qs y grupos de vórticidad se estudian mediante el uso de la método inventado por Lozano-Durán & Jiménez (2014b). Las estructuras se clasifican en las ramas, que se organizan más en los gráficos. Ambas resoluciones espaciales y temporales se eligen para ser capaz de capturar el longitud y el tiempo de Kolmogorov puntual más probable en el momento más extrema. Debido al efecto caja mínima, sólo hay un gráfico principal consiste en casi todas las ramas, con su volumen y el número de estructuras instantáneo seguien la energía cinética y enstrofía intermitente. La vida de las ramas, lo que tiene más sentido para las ramas primarias, pierde su significado en el SS-HST debido a las aportaciones de ramas primarias al total de Reynolds estrés o enstrofía son casi insignificantes. Esto también es cierto en la capa exterior de los canales. En cambio, la vida de los gráficos en los canales se compara con el tiempo de ruptura en SS-HST. Grupos de vórticidad están asociados con casi el mismo cuadrante en términos de sus velocidades medias durante su tiempo de vida, especialmente para los relacionados con las eyecciones y sweeps. Al igual que en los canales, las eyecciones de SS-HST se mueven hacia arriba con una velocidad promedio vertical uT (velocidad de fricción) mientras que lo contrario es cierto para los barridos. Grupos de vórticidad, por otra parte, son casi inmóvil en la dirección vertical. En la dirección de sentido de la corriente, que están advección por la velocidad media local y por lo tanto deforman por la diferencia de velocidad media. Sweeps y eyecciones se mueven más rápido y más lento que la velocidad media, respectivamente, tanto por 1.5uT. Grupos de vórticidad se mueven con la misma velocidad que la velocidad media. Se verifica que las estructuras incoherentes cerca de la pared se debe a la pared en vez de pequeño tamaño. Los resultados sugieren fuertemente que las estructuras coherentes en canales no son especialmente asociado con la pared, o incluso con un perfil de cizalladura dado. ABSTRACT Since the wall-bounded turbulence was first recognized more than one century ago, its near wall region (buffer layer) has been studied extensively and becomes relatively well understood due to the low local Reynolds number and narrow scale separation. The region just above the buffer layer, i.e., the logarithmic layer, is receiving increasingly more attention nowadays due to its self-similar property. Flores et al. (20076) and Flores & Jim´enez (2010) show that the statistics of logarithmic layer is kind of independent of other layers, implying that it might be possible to study it separately, which would reduce significantly the computational costs for simulations of the logarithmic layer. Some attempts were tried later by Mizuno & Jimenez (2013), who simulated the logarithmic layer without the buffer layer with obtained statistics agree reasonably well with those of full simulations. Besides, the logarithmic layer might be mimicked by other simpler sheardriven turbulence. For example, Pumir (1996) found that the statistically-stationary homogeneous shear turbulence (SS-HST) also bursts, in a manner strikingly similar to the self-sustaining process in wall-bounded turbulence. Based on these considerations, this thesis tries to reveal to what extent is the logarithmic layer of channels similar to the simplest shear-driven turbulence, SS-HST, by comparing both kinematics and dynamics of coherent structures in the two flows. Results about the channel are shown by Lozano-Dur´an et al. (2012) and Lozano-Dur´an & Jim´enez (20146). The roadmap of this task is divided into three stages. First, SS-HST is investigated by means of a new direct numerical simulation code, spectral in the two horizontal directions and compact-finite-differences in the direction of the shear. No remeshing is used to impose the shear-periodic boundary condition. The influence of the geometry of the computational box is explored. Since HST has no characteristic outer length scale and tends to fill the computational domain, longterm simulations of HST are ‘minimal’ in the sense of containing on average only a few large-scale structures. It is found that the main limit is the spanwise box width, Lz, which sets the length and velocity scales of the turbulence, and that the two other box dimensions should be sufficiently large (Lx > 2LZ, Ly > Lz) to prevent other directions to be constrained as well. It is also found that very long boxes, Lx > 2Ly, couple with the passing period of the shear-periodic boundary condition, and develop strong unphysical linearized bursts. Within those limits, the flow shows interesting similarities and differences with other shear flows, and in particular with the logarithmic layer of wallbounded turbulence. They are explored in some detail. They include a self-sustaining process for large-scale streaks and quasi-periodic bursting. The bursting time scale is approximately universal, ~ 20S~l (S is the mean shear rate), and the availability of two different bursting systems allows the growth of the bursts to be related with some confidence to the shearing of initially isotropic turbulence. It is concluded that SS-HST, conducted within the proper computational parameters, is a very promising system to study shear turbulence in general. Second, the same coherent structures as in channels studied by Lozano-Dur´an et al. (2012), namely three-dimensional vortex clusters (strong dissipation) and Qs (strong tangential Reynolds stress, -uv), are studied by direct numerical simulation of SS-HST with acceptable box aspect ratios and Reynolds number up to Rex ~ 250 (based on Taylor-microscale). The influence of the intermittency to time-independent threshold is discussed. These structures have similar elongations in the streamwise direction to detached families in channels until they are of comparable size to the box. Their fractal dimensions, inner and outer lengths as a function of volume agree well with their counterparts in channels. The study about their spatial organizations found that Qs of the same type are aligned roughly in the direction of the velocity vector in the quadrant they belong to, while Qs of different types are restricted by the fact that there should be no velocity clash, which makes Q2s (ejections, u < 0, v > 0) and Q4s (sweeps, u > 0, v < 0) paired in the spanwise direction. This is verified by inspecting velocity structures, other quadrants such as u-w and v-w in SS-HST and also detached families in the channel. The streamwise alignment of attached Qs with the same type in channels is due to the modulation of the wall. The average flow field conditioned to Q2-Q4 pairs found that vortex clusters are in the middle of the pair, but prefer to the two shear layers lodging at the top and bottom of Q2s and Q4s respectively, which makes the spanwise vorticity inside vortex clusters does not cancel. The wall amplifies the difference between the sizes of low- and high-speed streaks associated with attached Q2-Q4 pairs as the pairs reach closer to the wall, which is verified by the correlation of streamwise velocity conditioned to attached Q2s and Q4s with different heights. Vortex clusters in SS-HST associated with Q2s or Q4s are also flanked by a counter rotating streamwise vortices in the spanwise direction as in the channel. The long conical ‘wake’ originates from tall attached vortex clusters found by del A´ lamo et al. (2006) and Flores et al. (2007b), which disappears in SS-HST, is only true for tall attached vortices associated with Q2s but not for those associated with Q4s, whose averaged flow field is actually quite similar to that in SS-HST. Third, the temporal evolutions of Qs and vortex clusters are studied by using the method invented by Lozano-Dur´an & Jim´enez (2014b). Structures are sorted into branches, which are further organized into graphs. Both spatial and temporal resolutions are chosen to be able to capture the most probable pointwise Kolmogorov length and time at the most extreme moment. Due to the minimal box effect, there is only one main graph consist by almost all the branches, with its instantaneous volume and number of structures follow the intermittent kinetic energy and enstrophy. The lifetime of branches, which makes more sense for primary branches, loses its meaning in SS-HST because the contributions of primary branches to total Reynolds stress or enstrophy are almost negligible. This is also true in the outer layer of channels. Instead, the lifetime of graphs in channels are compared with the bursting time in SS-HST. Vortex clusters are associated with almost the same quadrant in terms of their mean velocities during their life time, especially for those related with ejections and sweeps. As in channels, ejections in SS-HST move upwards with an average vertical velocity uτ (friction velocity) while the opposite is true for sweeps. Vortex clusters, on the other hand, are almost still in the vertical direction. In the streamwise direction, they are advected by the local mean velocity and thus deformed by the mean velocity difference. Sweeps and ejections move faster and slower than the mean velocity respectively, both by 1.5uτ . Vortex clusters move with the same speed as the mean velocity. It is verified that the incoherent structures near the wall is due to the wall instead of small size. The results suggest that coherent structures in channels are not particularly associated with the wall, or even with a given shear profile.

Reduced order modeling of some fluid flows of industrial interest

Some basic ideas are presented for the construction of robust, computationally efficient reduced order models amenable to be used in industrial environments, combined with somewhat rough computational fluid dynamics solvers. These ideas result from a critical review of the basic principles of proper orthogonal decomposition-based reduced order modeling of both steady and unsteady fluid flows. In particular, the extent to which some artifacts of the computational fluid dynamics solvers can be ignored is addressed, which opens up the possibility of obtaining quite flexible reduced order models. The methods are illustrated with the steady aerodynamic flow around a horizontal tail plane of a commercial aircraft in transonic conditions, and the unsteady lid-driven cavity problem. In both cases, the approximations are fairly good, thus reducing the computational cost by a significant factor.

Order 10 4 speedup in global linear instability analysis using matrix formation

A unified solution framework is presented for one-, two- or three-dimensional complex non-symmetric eigenvalue problems, respectively governing linear modal instability of incompressible fluid flows in rectangular domains having two, one or no homogeneous spatial directions. The solution algorithm is based on subspace iteration in which the spatial discretization matrix is formed, stored and inverted serially. Results delivered by spectral collocation based on the Chebyshev-Gauss-Lobatto (CGL) points and a suite of high-order finite-difference methods comprising the previously employed for this type of work Dispersion-Relation-Preserving (DRP) and Padé finite-difference schemes, as well as the Summationby- parts (SBP) and the new high-order finite-difference scheme of order q (FD-q) have been compared from the point of view of accuracy and efficiency in standard validation cases of temporal local and BiGlobal linear instability. The FD-q method has been found to significantly outperform all other finite difference schemes in solving classic linear local, BiGlobal, and TriGlobal eigenvalue problems, as regards both memory and CPU time requirements. Results shown in the present study disprove the paradigm that spectral methods are superior to finite difference methods in terms of computational cost, at equal accuracy, FD-q spatial discretization delivering a speedup of ð (10 4). Consequently, accurate solutions of the three-dimensional (TriGlobal) eigenvalue problems may be solved on typical desktop computers with modest computational effort.

The Lagrangian description of aperiodic flows: a case study of the Kuroshio Current

This article reviews several recently developed Lagrangian tools and shows how their com- bined use succeeds in obtaining a detailed description of purely advective transport events in general aperiodic flows. In particular, because of the climate impact of ocean transport processes, we illustrate a 2D application on altimeter data sets over the area of the Kuroshio Current, although the proposed techniques are general and applicable to arbitrary time depen- dent aperiodic flows. The first challenge for describing transport in aperiodical time dependent flows is obtaining a representation of the phase portrait where the most relevant dynamical features may be identified. This representation is accomplished by using global Lagrangian descriptors that when applied for instance to the altimeter data sets retrieve over the ocean surface a phase portrait where the geometry of interconnected dynamical systems is visible. The phase portrait picture is essential because it evinces which transport routes are acting on the whole flow. Once these routes are roughly recognised it is possible to complete a detailed description by the direct computation of the finite time stable and unstable manifolds of special hyperbolic trajectories that act as organising centres of the flow.

High reynolds numbers turbulent boundary layers

Esta tesis estudia las similitudes y diferencias entre los flujos turbulentos de pared de tipo externo e interno, en régimen incompresible, y a números de Reynolds moderada¬mente altos. Para ello consideramos tanto simulaciones numéricas como experimentos de capas límites con gradiente de presiones nulo y de flujos de canal, ambos a números de Reynolds en el rango δ+ ~ 500 - 2000. Estos flujos de cortadura son objeto de numerosas investigaciones debido a la gran importancia que tienen tanto a nivel tecnológico como a nivel de física fundamental. No obstante, todavía existen muchos interrogantes sobre aspectos básicos tales como la universalidad de los perfiles medios y de fluctuación de las velocidades o de la presión, tanto en la zona cercana a la pared como en la zona logarítmica, el escalado y el efecto del número de Reynolds, o las diferencias entre los flujos internos y externos en la zona exterior. En éste estudio hemos utilizado simulaciones numéricas ya existentes de canales y capas límites a números de Reynolds δ+ ~ 2000 y δ+ ~ 700, respectivamente. Para poder comparar ambos flujos a igual número de Reynolds hemos realizado una nueva simulación directa de capa límite en el rango δ+ ~ 1000-2000. Los resultados de la misma son presentados y analizados en detalle. Los datos sin postprocesar y las estadísticas ya postprocesadas están públicamente disponibles en nuestro sitio web.162 El análisis de las estadísticas usando un único punto confirma la existencia de perfiles logarítmicos para las fluctuaciones de la velocidad transversal w'2+ y de la presión p'2+ en ambos tipos de flujos, pero no para la velocidad normal v'2+ o la velocidad longitudinal u'2+. Para aceptar o rechazar la existencia de un rango logarítmico en u'2+ se requieren números de Reynolds más altos que los considerados en éste trabajo. Una de las conse¬cuencias más importantes de poseer tales perfiles es que el valor máximo de la intensidad, que se alcanza cerca de la pared, depende explícitamente del número de Reynolds. Esto ha sido confirmado tras analizar un gran número de datos experimentales y numéricos, cor¬roborando que el máximo de u'2+, p/2+, y w'2+ aumenta proporcionalmente con el log(δ+). Por otro lado, éste máximo es más intenso en los flujos externos que en los internos. La máxima diferencia ocurre en torno a y/δ ~ 0.3-0.5, siendo esta altura prácticamente independiente del número de Reynolds considerado. Estas diferencias se originan como consecuencia del carácter intermitente de las capas límites, que es inexistente en los flujos internos. La estructura de las fluctuaciones de velocidad y de presión, junto con la de los esfuer¬zos de Reynolds, se han investigado por medio de correlaciones espaciales tridimensionales considerando dos puntos de medida. Hemos obtenido que el tamaño de las mismas es gen¬eralmente mayor en canales que en capas límites, especialmente en el caso de la correlación longitudinal Cuu en la dirección del flujo. Para esta correlación se demuestra que las es¬tructuras débilmente correladas presentan longitudes de hasta 0(75), en el caso de capas límites, y de hasta 0(185) en el caso de canales. Estas longitudes se obtienen respecti-vamente en la zona logarítmica y en la zona exterior. Las longitudes correspondientes en la dirección transversal son significativamente menores en ambos flujos, 0(5 — 25). La organización espacial de las correlaciones es compatible con la de una pareja de rollos casi paralelos con dimensiones que escalan en unidades exteriores. Esta organización se mantiene al menos hasta y ~ 0.65, altura a la cual las capas límites comienzan a organi¬zarse en rollos transversales. Este comportamiento es sin embargo más débil en canales, pudiéndose observar parcialmente a partir de y ~ 0.85. Para estudiar si estas estructuras están onduladas a lo largo de la dirección transver¬sal, hemos calculado las correlaciones condicionadas a eventos intensos de la velocidad transversal w'. Estas correlaciones revelan que la ondulación de la velocidad longitudinal aumenta conforme nos alejamos de la pared, sugiriendo que las estructuras están más alineadas en la zona cercana a la pared que en la zona lejana a ella. El por qué de esta ondulación se encuentra posiblemente en la configuración a lo largo de diagonales que presenta w'. Estas estructuras no sólo están onduladas, sino que también están inclinadas respecto a la pared con ángulos que dependen de la variable considerada, de la altura, y de el contorno de correlación seleccionado. Por encima de la zona tampón e independien¬temente del número de Reynolds y tipo de flujo, Cuu presenta una inclinación máxima de unos 10°, las correlaciones Cvv y Cm son esencialmente verticales, y Cww está inclinada a unos 35°. Summary This thesis studies the similitudes and differences between external and internal in¬compressible wall-bounded turbulent flows at moderately-high Reynolds numbers. We consider numerical and experimental zero-pressure-gradient boundary layers and chan¬nels in the range of δ+ ~ 500 — 2000. These shear flows are subjects of intensive research because of their technological importance and fundamental physical interest. However, there are still open questions regarding basic aspects such as the universality of the mean and fluctuating velocity and pressure profiles at the near-wall and logarithmic regions, their scaling and the effect of the Reynolds numbers, or the differences between internal and external flows at the outer layer, to name but a few. For this study, we made use of available direct numerical simulations of channel and boundary layers reaching δ+ ~ 2000 and δ+ ~ 700, respectively. To fill the gap in the Reynolds number, a new boundary layer simulation in the range δ+ ~ 1000-2000 is presented and discussed. The original raw data and the post-processed statistics are publicly available on our website.162 The analysis of the one-point statistic confirms the existence of logarithmic profiles for the spanwise w'2+ and pressure p'2+ fluctuations for both type of flows, but not for the wall-normal v'2+ or the streamwise u'2+ velocities. To accept or reject the existence of a logarithmic range in u'2+ requires higher Reynolds numbers than the ones considered in this work. An important consequence of having such profiles is that the maximum value of the intensities, reached near the wall, depends on the Reynolds number. This was confirmed after surveying a wide number of experimental and numerical datasets, corrob¬orating that the maximum of ul2+, p'2+, and w'2+ increases proportionally to log(δ+). On the other hand, that maximum is more intense in external flows than in internal ones, differing the most around y/δ ~ 0.3-0.5, and essentially independent of the Reynolds number. We discuss that those differences are originated as a consequence of the inter¬mittent character of boundary layers that is absent in internal flows. The structure of the velocity and pressure fluctuations, together with those of the Reynolds shear stress, were investigated using three-dimensional two-point spatial correlations. We find that the correlations extend over longer distances in channels than in boundary layers, especially in the case of the streamwise correlation Cuu in the flow direc-tion. For weakly correlated structures, the maximum streamwise length of Cuu is O(78) for boundary layers and O(188) for channels, attained at the logarithmic and outer regions respectively. The corresponding lengths for the transverse velocities and for the pressure are shorter, 0(8 — 28), and of the same order for both flows. The spatial organization of the velocity correlations is shown to be consistent with a pair of quasi-streamwise rollers that scales in outer units. That organization is observed until y ~ 0.68, from which boundary layers start to organize into spanwise rollers. This effect is weaker in channels, and it appears at y ~ 0.88. We present correlations conditioned to intense events of the transversal velocity, w', to study if these structures meander along the spanwise direction. The results indicate that the streamwise velocity streaks increase their meandering proportionally to the distance to the wall, suggesting that the structures are more aligned close to the wall than far from it. The reason behind this meandering is probably due to the characteristic organization along diagonals of w'. These structures not only meander along the spanwise direction, but they are also inclined to the wall at angles that depend on the distance from the wall, on the variable being considered, and on the correlation level used to define them. Above the buffer layer and independent of the Reynolds numbers and type of flow, the maximum inclination of Cuu is about 10°, Cvv and Cpp are roughly vertical, and Cww is inclined by 35°.

Moiré-Fourier deflectometry for local heat transfer measurement over a backward-facing step

This paper explores the possibility of using the Moire-Fourier deflectometry for measuring the local heat transfer coefficient inside small confined flows (micro-channels) and their relevance for checking theoretical models. This optical technique, supplemented with a digital image processing method of fringes, is applied for studying the local heat transfer over a backward facing step. The experimental results are compared with numerical results obtained from a commercial code, which has been contrasted with relevant solutions from the literature and bulk fluid temperature measurements at the inlet and outlet sections. In order to show the possibilities of the experimental technique, the influence of assuming an adiabatic wall on the numerical heat-transfer model is examined and the degree of agreement is discussed. As a result, the paper shows that the proposed Moiré-Fourier technique is a simple experimental setup suitable for temperature measurements with an accuracy similar to the thermocouples but with a spatial resolution near 0.01 mm.Moiré-Fourier deflectometry for local heat transfer measurement over a backward-facing step

Option contracts for allocating water in inter-basin transfers: the case of the Tagus-Segura Basin in Spain

Users in the Mediterranean region face significant water supply risks. Water markets mechanisms can provide flexibility to water systems run in tight situations. The largest water infrastructure in the Iberian Peninsula connects the Segura and Tagus Basins. Stakeholders and politicians in the Tagus Basin have asked that water transfers between the two basins be eventually phased out. The need to increase the statutory minimum environmental flow in the middle Tagus and to meet new urban demands is going to result in a redefinition of the Transfer?s management rules, leading to a reduction in the transferable volumes. To minimise the consequences of such restrictions to irrigators in the Segura Basin who depend on the transferred volumes, we propose the establishment of water option contracts between both basins that represents an institutional innovation with respect to previous inter-basin spot market experiences. Based on the draft of the new Tagus Basin Plan, we propose both a modification of the Transfer?s management rule and an innovative inter-basin option contract. The main goal of the paper is to define this contract and evaluate it with respect to non-market scenarios. We also assess the resulting impact on environmental flows in the Tagus River and water availability for users in the Segura Basin, together with the economic impacts of such contract on both basins. Our results show that the proposed option contract would reduce the impact of a change in the transfer?s management rule, and reduce the supply risks of the recipient area.

Artefactos energéticos : de Fuller a Piñero (1961-1972) = Energetic artefacts : from Fuller to Piñero (1961-1972)

La obra de Emilio Pérez Piñero que se desarrolla entre los años 1961 y 1972 año en el que muere en un accidente de tráfico volviendo de Figueras, se centra principalmente en artefactos desplegables y desmontables, ejecutando prototipos que en el presente trabajo se han dividido en dos grupos; la cúpula reticular y la infraestructura. No pudo por tanto acudir al Congreso de 1972 de la UIA a recoger el premio Auguste Perret a la innovación tecnológica, que en años anteriores habían recibido Félix Candela, Jean Prouvé, Hans Scharoun o Frei Otto, y que en aquella ocasión tuvo que recoger su viuda. Parámetros como el de la movilidad, indeterminación, intercambiabilidad, obsolescencia y otros que se analizan en el presente trabajo, aparecen a lo largo de toda su obra ya que muchos de sus artefactos están ubicados en no-lugares y tienen un carácter itinerante y por tanto se hace indispensable su rápido montaje y desmontaje, que unas veces se resuelve mediante la desmontabilidad y otras con la plegabilidad de éstos. Aunque pueda parecer Piñero una figura autárquica, lo cierto es que durante la década donde concentra su trabajo se produce una explosión en torno a al arquetipo que será denominado de forma genérica `artefacto´, ligado conceptualmente a los parámetros que aquí se definen. Entendemos artefacto como objeto material realizado por una o varias personas para cumplir una función, es sinónimo de máquina y aparato y deriva de las palabras latinas ars o artis (técnica) y facto (hecho), para designar a los objetos cuya fabricación requiere alguna destreza. El término latino `ars´ engloba a las técnicas y a las artes, lo que no ocurre con el término castellano arte que deriva de él. Los movimientos utópicos que comparte la década con Piñero, utilizan el arquetipo infraestructural, ligero y high tech, para a través de una arquitectura más ligada a la ciencia ficción, realizar una crítica al Movimiento Moderno institucionalizado, todos ellos comparten cierta obsesión por la movilidad, ligada ésta a la idea de espacio flexible, dinámico, nómada. Este concepto de neo-nomadismo, que representa un habitar dinámico, aglutina las nuevas formas de vivir donde la movilidad social y geográfica son habituales. El nomadismo, por otra parte se entiende como sinónimo de democracia y libertad. La arquitectura pasa de ser pesada, estática, permanente a ser un elemento dinámico en continuo movimiento. A veces con connotaciones biológicas se asimilan los artefactos a organismos vivos y les confieren dichas propiedades de crecimiento y autonomía energética, acumulándose en torno a megaestructuras, donde quedan `enchufados´. En este intento de dotar movilidad a lo inmueble, se buscan estructuras vivas y modificables que crecen en una asimilación de las leyes naturales utilizando los parámetros de metamorfosis, simbiosis y cambio. Estos movimientos de vanguardia tienen también ciertas connotaciones políticas y sociales basadas en la libertad y la movilidad y reniegan del consumismo institucionalizado, de la arquitectura como instrumento de consumo, como objeto de usar en la cultura de masas. El carácter político de la autogestión, de la customización como parámetro proyectual, de la autosuficiencia energética, que anticipa la llegada de la crisis energética del año 1973. Objeto de este trabajo será relacionar los conceptos que aparecen fuertemente en el entorno de la década de los años sesenta del siglo XX, en el trabajo de Emilio Pérez Piñero. Parámetros encontrados como conceptos en los grupos de vanguardia y utopía a su vez fuertemente influenciados por las figuras del ingeniero Richard Buckminster Fuller y del arquitecto Konrad Wachsmann. Se analizará que posible influencia tiene la obra de Fuller, principalmente el prototipo denominado cúpula reticular, en la obra de Pérez Piñero y sus coetáneos analizando sus pensamientos teóricos en torno a parámetros como la energía, principalmente en las teorías relativas a Synergetics. El término inventado por Richard B. Fuller es una contracción de otro más largo que en inglés agrupa tres palabras; synergetic-energetic geometry. La definición de sinergia es la cooperación, es decir es el resultado de la acción conjunta de dos o más causas, pero con un efecto superior a la suma de estas causas. El segundo término, energetics geometry, que traducido sería geometría energética hace referencia en primer lugar a la geometría; ya que desarrolla el sistema de referencia que utiliza la naturaleza para construir sus sistemas y en segundo lugar a la energía; ya que además debe ser el sistema que establezca las relaciones más económicas utilizando el mínimo de energía. Por otro lado se analiza la repercusión del prototipo denominado Infraestructura, término acuñado por Yona Friedman y basado estructuralmente y conceptualmente en los desarrollos sobre grandes estructuras de Konrad Wachsmann. El arquitecto alemán divulga su conocimiento en seminarios impartidos por todo el mundo como el que imparte en Tokio y se denomina Wachsmann´s Seminar donde participan algunos de los componentes del grupo Metabolista que sorprenderán al mundo con sus realizaciones en la exposición de Osaka de 1970. El intervalo temporal entre 1961 hasta 1972 hace referencia a la horquilla donde Pérez Piñero realiza su obra arquitectónica, que comienza en 1961 cuando gana el concurso convocado en Londres por la UIA (Unión Internacional de Arquitectos) con el proyecto conocido como Teatro Ambulante, hasta 1972 que es cuando fallece volviendo de Figueras donde está realizando dos encargos de Salvador Dalí; la cubrición del escenario del futuro Teatro-Museo Salvador Dalí y la Vidriera Hipercúbica que debía cerrar la boca de tal escenario. Bajo el título de `Artefactos energéticos. De Fuller a Piñero (1961-1972)´, se presenta esta Tesis doctoral, que tiene la intención de vincular la obra de Emilio Pérez Piñero con la de las neo vanguardias producidas por una serie de arquitectos que operan en el ámbito internacional. Estas vinculaciones se producen de una forma general, donde a través de una serie de estrategias según la metodología que posteriormente se describe se buscan relaciones de la obra del autor español con algunos de los movimientos más significativos que aparecen en dicha década y de manera específica estableciendo relaciones con las obras y pensamientos de los autores que pertenecen a estos movimientos y donde estas relaciones se hacen más evidentes. El objeto del presente trabajo es analizar y explicar la obra del arquitecto Emilio Pérez Piñero, que espacialmente se localiza en el territorio español, desde el punto de vista de estos movimientos para posteriormente poder determinar si existen puntos en común y si el arquitecto español no solo comparte la década temporalmente sino también conceptualmente y por tanto utiliza el ideario que utilizan sus coetáneos que forman parte de las neovanguardias de los años sesenta de siglo XX. ABSTRACT ABSTRACT The Work of Emilio Perez Piñero was developed between the years 1961 and 1972 when he died in a car accident coming back from Figueres, where he was building a geodesic dome to close the building that enclose the Dali’s museum. All his Work is mainly centered in artifact that could be collapsible and removable, taking the two prototypes that are described in this work as a recurrent element in all his creation. These are the reticular dome and the infrastructure that are very influenced by the work from Richard B. Fuller and Konrad Wachsmann. Emilio Pérez Piñero could not receive the Auguste Perret Prize in 1972 awarded by the UIA that years before have received architects as Felix Candela, Jean Prouvé, Hans Scharoun or Frei Otto, and this time Pérez Piñero´s wife will accept it because of his death. Parameters like mobility, changeability, expendability, indetermination and others appear currently in his Work. All the inventions that Piñero had been patented and all of the artifacts that he created are usually located in no-places, because they do have a shifting identity. This kind of building has to be quickly set on site, and this problem has to be solved in term of foldability or demounting. In the decade where his work focuses, an explosion has occurred around this archetype to be generally called artifact that is usually linked to mobility. We understand artifact as a material object made by one or more people to work in a particular way. It is sometimes equated with the terms machinery and apparatus and it is derived from the Latin word `ars´ or `artis´, what means techniques and `facto´ (fact). And we use this term to refer to objects whose manufacture requires the same skill, in fact the Latin word `ars´ covers the techniques and arts, which does not occur with the Castillan term `arte´ that derives from it and means only art. The term neo-nomadic is a relatively new name used for a dynamic life, commonly referred to new forms of life where social and geographical mobility are common. On the other hand nomadic could be understood as a synonymous for democracy and freedom. The architecture is not going to be hard and static anymore but a dynamic element in the move. The Neo-avant-garde movement that shares the decade with Piñero uses this infrastructural archetype, which is light and high-tech, to criticize the institutionalized Modern Movement through architecture linked to science fiction. They all share an obsession with mobility, a concept that is connected to the terms `dynamic´, `nomadic´, `flexibile´, etc. Sometimes, with biological connotations, the utopian assimilate the artifacts to living organisms and give them these properties of growth and energy autonomy, and they apparently grow around megastructures where they are plugged. In this attempt to provide mobility to the inertness, living structures and possibility of change are sought in order to make them grow like a living organism and to assimilate the natural laws of growth. According to a definition from architecture provided by Fernández- Galiano who calls it `exosomatic artifact´, he understand architecture as artifact of the human environment that regulates natural energy flows and channels the energy stored in fuels for the benefit of living beings that inhabit. It is also true that during the sixties a new environmental awareness in public opinion is formed and that is due to the exploitation and disproportionate use of energy resources, acceleration of technological processes and mass consumption. Consequently a new concept is born: energy autonomy, it is very close to rational use of natural energy. Such a concept will be culturally assimilated with the requirement of independence not only in the management but also in the building construction until we arrive at energy autonomy. The individuals become energy consumer, which in turn can enter the energy produced in the system to `life in an eco-mode way´. The objectives of this research are analyzing all of these parameters and concepts that are coming into view in the surrounding of the decade and relate them with the Work of Pérez Piñero. Terms strongly present in the avant-garde movements around the decade, a young architect’s generation strongly influenced by Richard B. Fuller and Konrad Wachsmann. However, it will be analyzed how important the influence of Buckminster Fuller's Work was and his theoretical text about energy on the Work of Pérez Piñero and his fellows of the decade. The term Synergetic was invented by Fuller and came from the words synergy and energetic geometry. Synergy is the cooperation or interaction of two or more agents to produce a greater effect than the sum of their separate effects. Energetic geometry is related to the geometries that the Nature is using to build their construction but always using low energy consumption. On the other hand, the influences from Wachsmann around the prototype called Infrastructure have been analyzed. The German architect has developed knowledge around huge structures that he has spread all around the world through seminars that he has been conducted. One of these was the Wachsmann´s seminar in Tokyo, where same of the members of the Metabolist group were taking part of. Later these young architects will surprise the world with his artifacts at the World Exposition in Osaka in 1970. Between 1961 and 1972 Pérez Piñero produced his architectural work. It began in 1961 when he received the first prize with his project Mobile Theatre in the competition organized by the UIA in London. In 1972 the Auguste Perret Prize was granted by the UIA too. He could not accept it because he died before in a car accident when he was coming from Figueres, when he was designing two projects for Dali. With the title `Energetic Artifacts. From Fuller to Piñero (1961- 1972)´, this thesis relates the Work of Emilio Pérez Piñero with the neo avant-garde made by a young architects’ generation who is sharing the time with him. Several strategies have been used to formed relationships between them. They are described in the present work to set up a method that allows us to relate the work and ideas of the architects of the neo avant-garde with the ones from Piñero. This work is intended to analyze and explained the work of Pérez Piñero from the point of view of the international architects’ generation who is operating at the same time and finally to determinate if Piñero is not sharing the time with them but the concepts, ideas and architectural parameters.

Fresnel-based modular solar fields for performance/cost optimization in solar thermal power plants: A comparison with parabolic trough collectors.

Linear Fresnel collectors are identified as a technology that should play a main role in order to reduce cost of Concentrating Solar Power. An optical and thermal analysis of the different blocks of the solar power plant is carried out, where Fresnel arrays are compared with the most extended linear technology: parabolic trough collectors. It is demonstrated that the optical performance of Fresnel array is very close to that of PTC, with similar values of maximum flux intensities. In addition, if the heat carrier fluid flows in series by the tubes of the receiver, relatively high thermal efficiencies are achieved. Thus, an annual solar to electricity efficiency of 19% is expected, which is similar to the state of the art in PTCs; this is done with a reduction of costs, thanks to lighter structures, that drives to an estimation of LCOE of around 6.5 c€/kWh.

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.