Estudio sobre propagación atmosférica en la banda de los THz: influencia de gases y nubes en 100 y 300 GHz.

La presente Tesis Doctoral fue desarrollada en el marco del proyecto Consolider-Ingenio 2010 CSD2008-00068 (TeraSense), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España. Dentro este contexto, el grupo GTIC-Radiocomunicaciones de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha llevado a cabo una serie de estudios, los cuales se centran específicamente en propagación atmosférica bajo condiciones de ausencia de lluvia en 100 y 300 GHz. Durante la primera etapa de esta investigación se ha llevado a cabo la caracterización y estimación de la atenuación total atmosférica y temperatura de brillo en ambas frecuencias, usando para ello perfiles atmosféricos. Con este propósito, se han obtenido datos de sondeos realizados en la estación de Madrid/Barajas, correspondientes a un periodo de 5 años. A partir de esta base de datos, así como de modelos de estimación, y asumiendo la validez de la aproximación de Rayleigh hasta 300 GHz, se han calculado las distribuciones acumuladas anuales de gases, nubes, y atenuación total, además de los correspondientes niveles de temperatura de brillo. Los principales resultados muestran que, a medida que aumenta la frecuencia, el vapor de agua tiene una fuerte influencia negativa, la cual es claramente dominante en 300 GHz. Así mismo, los estadísticos anuales de temperatura de brillo en 100 GHz han mostrado que la estimación de la atenuación total, a partir de medidas radiométricas, podría realizarse durante la mayor parte del tiempo, salvo en condiciones de lluvia. En 300 GHz, esta estimación sería difícil de realizar a partir de esta técnica, siendo posible únicamente durante periodos caracterizados por bajas concentraciones de vapor de agua en la atmósfera y ausencia de precipitaciones. Se ha introducido en esta investigación un método para identificar la presencia de condiciones de lluvia durante la realización de un sondeo, con el objetivo de descartar estos eventos de los estadísticos anuales de atenuación en ambas frecuencias. Este tipo de escenarios son generalmente evitados durante la realización de medidas radiométricas o cálculos basados en datos de sondeos. El procedimiento de detección se basa en el análisis de un conjunto de parámetros, algunos de ellos extraídos de observaciones sinópticas de superficie, además de la definición de un umbral de contenido integrado de agua líquida, ILWC. El funcionamiento del método ha sido evaluado bajo diferentes condiciones climatológicas, correspondientes a tres estaciones diferentes en España, donde se verificó también la existencia de datos pluviométricos. El uso del método ha demostrado que, en ausencia de registros de intensidad de lluvia, puede ser una herramienta útil de detección, cuyo comportamiento es conservador, debido a que el número de eventos que descarta es siempre mayor que el observado por un pluviómetro. Los resultados que se obtienen son buenos cuando se comparan las distribuciones acumuladas anuales de atenuación total obtenidas excluyendo los eventos detectados por el método y por los registros pluviométricos. En colaboración con el Grupo de Microondas y Radar de la UPM, se ha realizado una campaña de medidas radiométricas en 99 GHz, entre el 11 y el 24 de abril de 2012, con el fin de estimar la atenuación total a lo largo de un trayecto inclinado. Las series temporales obtenidas son consistentes con lo que se esperaba de este tipo de medidas: un nivel de referencia de baja atenuación en ausencia de nubes o lluvia, y aparentemente una buena compensación de las variaciones en la ganancia del receptor gracias a un procedimiento manual de calibraciones con carga caliente. Así mismo, se han observado claramente los efectos de la presencia de nubes sobre los resultados, hecho que confirma la mayor sensibilidad de las medidas en esta frecuencia a la presencia de agua líquida, en comparación con medidas simultáneas realizadas por un radiómetro en 19.7 GHz. Finalmente, se han observado un buen nivel de correspondencia entre los valores de atenuación estimados por el radiómetro en 99 GHz y aquellos estimados mediante sondeos meteorológicos, lo cual constituye una conclusión valiosa de cara a futuras campañas de medidas de mayor duración.

Simulación numérica de un problema de contaminación atmosférica

La ecuación en derivadas parciales de advección difusión con reacción química es la base de los modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, y los diferentes métodos numéricos empleados para su resolución han sido objeto de amplios estudios a lo largo de su desarrollo. En esta Tesis se presenta la implementación de un nuevo método conservativo para la resolución de la parte advectiva de la ecuación en derivadas parciales que modela la dispersión de contaminantes dentro del modelo mesoescalar de transporte químico CHIMERE. Este método está basado en una técnica de volúmenes finitos junto con una interpolación racional. La ventaja de este método es la conservación exacta de la masa transportada debido al empleo de la ley de conservación de masas. Para ello emplea una formulación de flujo basado en el cálculo de la integral ponderada dentro de cada celda definida para la discretización del espacio en el método de volúmenes finitos. Los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones realizadas (implementando el modelo conservativo para la advección en el modelo CHIMERE) se han comparado con los datos observados de concentración de contaminantes registrados en la red de estaciones de seguimiento y medición distribuidas por la Península Ibérica. Los datos estadísticos de medición del error, la media normalizada y la media absoluta normalizada del error, presentan valores que están dentro de los rangos propuestos por la EPA para considerar el modelo preciso. Además, se introduce un nuevo método para resolver la parte advectivadifusiva de la ecuación en derivadas parciales que modeliza la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Se ha empleado un método de diferencias finitas de alto orden para resolver la parte difusiva de la ecuación de transporte de contaminantes junto con el método racional conservativo para la parte advectiva en una y dos dimensiones. Los resultados obtenidos de la aplicación del método a diferentes situaciones incluyendo casos académicos y reales han sido comparados con la solución analítica de la ecuación de advección-difusión, demostrando que el nuevo método proporciona un resultado preciso para aproximar la solución. Por último, se ha desarrollado un modelo completo que contempla los fenómenos advectivo y difusivo con reacción química, usando los métodos anteriores junto con una técnica de diferenciación regresiva (BDF2). Esta técnica consiste en un método implícito multipaso de diferenciación regresiva de segundo orden, que nos permite resolver los problemas rígidos típicos de la química atmosférica, modelizados a través de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este método hace uso de la técnica iterativa Gauss- Seidel para obtener la solución de la parte implícita de la fórmula BDF2. El empleo de la técnica de Gauss-Seidel en lugar de otras técnicas comúnmente empleadas, como la iteración por el método de Newton, nos proporciona rapidez de cálculo y bajo consumo de memoria, ideal para obtener modelos operativos para la resolución de la cinética química atmosférica. ABSTRACT Extensive research has been performed to solve the atmospheric chemicaladvection- diffusion equation and different numerical methods have been proposed. This Thesis presents the implementation of an exactly conservative method for the advection equation in the European scale Eulerian chemistry transport model CHIMERE based on a rational interpolation and a finite volume algorithm. The advantage of the method is that the cell-integrated average is predicted via a flux formulation, thus the mass is exactly conserved. Numerical results are compared with a set of observation registered at some monitoring sites in Spain. The mean normalized bias and the mean normalized absolute error present values that are inside the range to consider an accurate model performance. In addition, it has been introduced a new method to solve the advectiondiffusion equation. It is based on a high-order accurate finite difference method to solve de diffusion equation together with a rational interpolation and a finite volume to solve the advection equation in one dimension and two dimensions. Numerical results obtained from solving several problems include academic and real atmospheric problems have been compared with the analytical solution of the advection-diffusion equation, showing that the new method give an efficient algorithm for solving such problems. Finally, a complete model has been developed to solve the atmospheric chemical-advection-diffusion equation, adding the conservative method for the advection equation, the high-order finite difference method for the diffusion equation and a second-order backward differentiation formula (BDF2) to solve the atmospheric chemical kinetics. The BDF2 is an implicit, second order multistep backward differentiation formula used to solve the stiff systems of ordinary differential equations (ODEs) from atmospheric chemistry. The Gauss-Seidel iteration is used for approximately solving the implicitly defined BDF solution, giving a faster tool than the more commonly used iterative modified Newton technique. This method implies low start-up costs and a low memory demand due to the use of Gauss-Seidel iteration.

Columna de destilación atmosférica de 100 000 bpd

Este proyecto tiene por objeto el diseño básico de una columna atmosférica de fraccionamiento de crudo petrolífero de una refinería. La columna dispone de una capacidad nominal de procesamiento de 100 000 BPD, para un crudo de características predefinidas. Con este fin se ha realizado el cálculo numérico de la columna, sin reflujos circulantes, mediante balances de masa y de energía y con aproximaciones al equilibrio basadas en temperaturas de rocío estimadas para cada una de las fracciones a obtener y usando criterios de diseño consagrados por la buena práctica de ingeniería. En la siguiente etapa de diseño se ha realizado un dimensionamiento preliminar de la columna, calculando el número de platos, la altura, el diámetro y la ubicación de los puntos de extracción. Finalmente se ha calculado las dimensiones de los strippers laterales a partir de los tráficos de vapor obtenidos de los balances energéticos ya mencionados.

Estimación de parámetros de propagación atmosférica en ausencia de lluvia utilizando escalado en frecuencias y otras técnicas

Las comunicaciones por satélite tienen cada vez mayores necesidades de espectro, con el objetivo de ofrecer servicios de banda ancha, tanto de comunicación de datos como de radiodifusión. En esta línea, se está incrementando de manera importante el uso de frecuencias en la banda Ka (20 y 30 GHz), que se verá complementada en el futuro por la banda Q/V (40 y 50 GHz) y por frecuencias en la banda W (por encima de 60 GHz). En estas frecuencias, microondas y ondas milimétricas, la troposfera produce importantes efectos de propagación. El más estudiado es el efecto de la lluvia, que produce desvanecimientos muy profundos. Sin embargo, la lluvia está presente en porcentajes de tiempo pequeños, típicamente inferiores al 5% en los climas templados. El resto del tiempo, más del 95% por ejemplo en los climas mencionados, los gases y las nubes pueden causar niveles importantes de atenuación en estas frecuencias. La Tesis aporta un nuevo modelo (Modelo Lucas-Riera), consistente en un conjunto de polinomios de aproximación para realizar, en ausencia de lluvia, la estimación de determinados parámetros de propagación, partiendo de otros datos que se suponen disponibles. El modelo está basado en datos obtenidos de radiosondeos meteorológicos y modelos físicos de atenuación por gases y nubes, que son los fenómenos más relevantes en ausencia de lluvia, y tiene en cuenta las características climatológicas del emplazamiento de interés, utilizando la clasificación climática de Köppen. Este modelo es aplicable en las bandas de frecuencias entre 12 y 100 GHz (exceptuando 60 GHz), donde se aproximarían los mencionados parámetros de propagación en una frecuencia a partir de los obtenidos en otra, en el caso de la atenuación y la temperatura de brillo, o bien se estimaría la temperatura media de radiación a una determinada frecuencia partiendo de la temperatura de superficie. Con este modelo se puede obtener una aproximación razonable si se conoce la Zona Climática de Köppen de la localización terrestre para la que queremos calcular las aproximaciones y en caso de que ésta se desconozca se aporta una Zona Global, que representa toda la superficie terrestre. La aproximación que se propone para realizar el escalado en frecuencia puede ser útil en los enlaces de comunicaciones por satélite, en los que a menudo se dispone de información en relación a los parámetros de propagación a una determinada frecuencia, por ejemplo en el enlace descendente, y sería de utilidad conocer esos mismos parámetros en el enlace ascendente de cara a poder mitigar los efectos que tiene la atmósfera sobre la señal emitida (atenuación, desvanecimiento, etc). En el caso de la temperatura media de radiación, la aproximación que se propone podría ser útil de cara a la realización de medidas de radiometría, diseño de equipamiento de instrumentación o comunicaciones por satélite.