Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Influencia de un nuevo marco jurídico en la competitividad del sistema portuario español

El sistema portuario español movió en el año 2013 aproximadamente 458,54 millones de toneladas, 13,8 millones de TEUs, con un total de 131.128 buques que accedieron a puerto para el conjunto de las 28 Autoridades Portuarias. Con el 62% de las exportaciones y el 86% de las importaciones realizadas por vía marítima, una rentabilidad del 2,34 %, muy cerca del objetivo del 2,5 % de rentabilidad media annual establecida legalmente, y una cifra de negocios aproximada de 1.028 millones de euros equivalentes al 1,1 % del PIB que genera un empleo directo e indirecto vinculado de 145.000 personas, concluimos que estamos hablando de un sector estratégico para la economía del país. Desde hace décadas, en muchos puertos del mundo se han venido desarrollando terminales “hub” o de concentración y distribución de cargas. Las navieras concentran entre este tipo de terminales sus líneas transoceánicas con buques de enormes dimensiones y capacidad de carga para producir los tránsitos de contenedores desde estas líneas a otras líneas llamadas “feeder”, con buques de menor tamaño que enlazan el “hub” con los puertos de su área marítima de influencia. La excepcional ubicación geoestratégica de España, con aproximadamente ocho mil kilómetros de costa, ha originado que los puertos españoles de mayor dimensión aspiren a incorporarse a esta red marítima internacional de contenedores y determina que en nuestro sistema portuario los movimientos de contenedores de tránsito tengan gran importancia. Sin embargo, la crisis económica ha tenido un efecto decisivo en el sector marítimo, determinando una lucha feroz entre todos los puertos, nacionales e internacionales, por captar este tipo de tráficos, lo que origina una búsqueda de las compañías navieras de puertos cada vez más eficientes en términos calidad/coste del servicio. La entrada en vigor del Texto Refundido de la Ley de Puertos y la piedra angular de su reforma, la Ley 33/2010, plantea como objetivo principal la mejora de la competitividad del sistema portuario español y liderar su recuperación, ofreciendo unas condiciones de entorno favorables a los puertos españoles que acaben por incentivar la captación de tráficos e inversión privada a través de una oferta de servicios e infraestructura de calidad y a precios competitivos que consoliden su posición dentro del tráfico marítimo mundial. Surge, por tanto, la conveniencia de investigar la influencia de las medidas propuestas por dicha norma legal y las soluciones ofrecidas a las demandas de un sector considerado estratégico para la economía del país, y cuya resolución se considera imprescindible para consolidar su recuperación. Por eso, se han analizado los aspectos más importantes de la reforma mediante la realización de un resumen ejecutivo y se ha estudiado la influencia de las medidas que incorpora desde el punto de vista de tres factores, que previamente se han considerado como fundamentales para la recuperación del sistema portuario español, y que históricamente habían sido demandados por el mismo, como son, en primer lugar, un progresivo sistema de flexibilización tributaria que permitiera a los puertos españoles ganar en términos de competitividad respecto a otros modelos portuarios mucho más flexibles en materia tarifaria, en segundo lugar, una necesaria liberalización del régimen de prestación de los servicios portuarios que posibilite el libre acceso a cualquier interesado en su prestación y, en último lugar, el progresivo abaratamiento de los costes inherentes a dichos servicios, fundamentalmente la manipulación de mercancías. Con posterioridad se ha investigado el trámite parlamentario al que se ha sometido la ley, fruto del enorme consenso alcanzado entre las dos principales fuerzas políticas del país, que determinó que se presentaran más de 700 enmiendas al proyecto original, y en algunos casos, se ha prestado especial atención a determinadas enmiendas que se consideran, en opinión de este investigador, novedosas y aventuradas, razón por la cual quizás no fueron incorporadas definitivamente al texto legal. Y se han analizado las principales demandas y aportaciones extraídas de la Sesión Informativa sobre la tramitación del entonces proyecto de ley ofrecida por la Comisión de Fomento del Congreso de los Diputados a los principales representantes del sector, comunidad portuaria, universidad y sindicatos. Siendo conscientes de la incidencia que tiene el servicio portuario de manipulación de mercancías en el paso de la mercancía por el puerto, se ha hecho una referencia concreta al peculiar régimen jurídico y laboral del personal vinculado al servicio. Avanzamos que las características de la relación laboral especial, y su peculiar régimen jurídico, con una dualidad de relaciones laborales, tiene una influencia decisiva en la nómina del trabajador que se repercute en los usuarios del servicio, fundamentalmente el naviero y el operador de la terminal, que en definitiva, incide en la competitividad del puerto. Y se ha constatado el auge aperturista de numerosas legislaciones portuarias europeas, prestando especial atención al proyecto frustrado de liberalización de los servicios portuarios en la Unión Europea de la conocida como Directiva Loyola de Palacio del año 2003 y al Libro Blanco de Transportes del año 2011. Así como a las deficiencias advertidas por el Dictamen de la Comisión Europea de fecha 27/09/2012 en relación al régimen jurídico del servicio portuario de manipulación de mercancías, que lo considera disconforme y contrario con las normas de libertad de establecimiento en Europa y que amenaza con una previsible reforma unilateral de la legislación portuaria española, a instancias europeas. Bajo este planteamiento, se ha procedido a analizar el marco de prestación de dichos servicios desde el punto de vista de la propia comunidad portuaria. Inicialmente, a través de un estudio de fuerzas de la competitividad del sector de los servicios portuarios en el sistema portuario español que nos permitirá trazar un mapa estratégico del mismo a través del “Modelo de las Cinco Fuerzas de Porter” concluyendo, que el poder de los prestadores de servicios portuarios como proveedores de los mismos, fundamentalmente en la manipulación de mercancías, es máximo, con un único colectivo, los estibadores portuarios, que al amparo de la normativa legal vigente tienen la exclusividad de su prestación. Dichas circunstancias restan competitividad al sistema frente a alternativas portuarias más flexibles y desincentivan la inversión privada. Y, en segundo lugar, mediante un proceso participativo en distintas encuestas sobre el modelo legislativo y sobre el marco formativo del sector con los propios agentes afectados dentro de la comunidad portuaria, desde la triple perspectiva de la vertiente pública que representan las Autoridades Portuarias, como gestores de las infraestructuras, la vertiente privada que representan los usuarios y prestadores de servicios, como principal cliente del puerto y desde el punto de vista de la propia mano de obra portuaria materializada en la representación sindical de dichos trabajadores. Los resultados nos permitirán concluir, respectivamente, la incidencia del servicio portuario mercancía por el puerto, por representar más de la mitad de los costes. Así como la aspiración de los trabajadores adscritos a dicho servicio de consolidar un título formativo que unifique y potencie su capacitación profesional, circunstancia esta última, también demandada por toda comunidad portuaria. Analizadas las conclusiones extraídas en cada una de las líneas de investigación se han detectado una serie de ineficiencias dentro del mismo que dicho marco regulador no ha sabido resolver, por lo que se ha considerado la conveniencia de formular, como herramienta de ayuda a gestores del sistema portuario español, una relación de medidas que, en opinión de este investigador, se consideran necesarias para mejorar el régimen de prestación de los servicios portuarios y se ha propuesto un borrador de modificación del actual Texto Refundido que pueda servir de base para materializar una futura reforma legal. Las conclusiones obtenidas en la investigación deben sentar las bases de una profunda reflexión sobre la necesidad de encaminar, como alternativa a una previsible modificación a instancias europeas, una reforma legal que decididamente apueste por la competitividad del sistema portuario español desde el punto de vista de la liberalización de servicios, el abaratamiento de los costes de la estiba y la necesaria profesionalización de los trabajadores adscritos al servicio portuario de manipulación de mercancías. During 2013 the Spanish Port System moved nearly 458,54 million tons of freight, 13,8 million TEUs, involving a total of 131.128 ships for the 28 existing Port Authorities. With 62% of exports and 86% of imports made through sea transportation, a 2,34% profit, close to the 2,5% average annual profit goal legally established, revenues of 1.028 million € equivalent to a 1.1% of Spain’s GDP and a figure of 145.000 people a directly or indirectly employed we can conclude that maritime industry is undoubtedly one of the strategic and key sectors for the country’s economy. Since several decades many ports in the world have been increasingly developing “Hub” terminals, those which concentrate and distribute freight. Shipping companies place among these type of terminals their transoceanic sea liners along with huge dimension & capacity ships to make the container transit from these liners to other called “feeder” which are smaller freight ships that connect the “hub” with the ports within its maritime area of influence. Spain’s exceptional geostrategic location with over 8.000 km of coastline has originated that those big dimension Spanish ports aspire to become a part of a container international maritime network which also determines that transit container move is key within our port system. Nevertheless the economic crisis has had a decisive impact on the maritime sector originating a fierce battle between all ports, national and international ones, all of them fight against each other to catch this type of maritime traffic which triggers an ongoing shipping companies search in cost/service quality efficient ports. The cornerstone of the Restated Text of Port Law is Law 33/2010, which lays out as main goal the Spanish Port System competitiveness improvement and lead its recovery offering favorable environment conditions to Spanish ports which help encourage maritime traffic attraction and private investment through a wide offer of services, quality of infrastructure and competitive prices which can consolidate its positioning within the world’s maritime traffic. It is therefore key to investigate the influence of the measures proposed by the above mentioned law and also the solutions offered to the demands of a sector which is considered strategic for the country’s economy and which solution is essential to consolidate the recovery. It is because of this that the most important aspects of the reform have been analyzed through the making of an executive summary and it has also been studied the influence of the measures it includes from the point of view of three factors which have previously been considered as key for the Spanish port system recovery. The system has historically demanded a progressive tax flexibility, which would permit Spanish ports be more competitive compared to other port models much more flexible in rates, a necessary liberalization of the port service provision regime and last but not least, to cut the price of costs related to those services, mainly freight handling. Following this, the parliamentary process of the law has also been studied as a consequence of the vast consensus reached by the main political forces in the country which clearly determined that more than 700 amendments to the original project were presented. In some cases the focus has been on amendments which are adventurous and new, reason why they were finally not included to the final legal text. Being well aware of the importance that freight handling procedure has, I have made a specific reference to the legal and working framework of those employees related to this service. We conclude that the special working relationship, its different legal regime, along with the working relationship dualism has a big impact and decisive influence over the worker’s salary which also affects service users, mainly shipowners and terminal operators, having a bad effect on the port’s competitiveness. The above confirms the new opening trend of main European port laws with special attention to the frustrated European Union port services liberalization project, also known as Directive Loyola de Palacio (2003) and the White Paper on Transports (2011). It is important to highlight that the European Commission has also observed several deficiencies with regard to the freight handling port service Law Regime being in disagreement with it, considering it is against the free establishment rules in Europe. The Commission is likely to present a unilateral reform to the Spanish Port Law. Under this approach the service provision framework is being analyzed from the Port Community point of view. Initially the analysis will focus on the study of the competition forces within the port services industry in Spain, this will allow us to draw up an strategic map through “Porter’s Five Forces Model” concluding that the power of port services providers as freight handlers is maximum, with an only collective, stevedores, which has the exclusivity for their services. All these circumstances not only decrease the system’s competitiveness versus other more flexible but also restrain private investments. Secondly, through a participating procedure in different surveys about the legislative model and about the training framework with the affected agents within the port community, there is a triple perspective: Public point of view represented by Port Authorities as infrastructure managers, Private point of view represented by users and service suppliers as main Port’s customer and finally, port workforce, represented by union leaders. Results will let us conclude that freight handling service is the most critical port service and represents more than half of the costs. This service related workers aspire to obtain a training certificate that unifies and boosts their professional role which is also chased by the entire port community. Once conclusions have been analyzed for all research lines, several deficiencies have been found and the regulatory framework hasn’t yet been able to solve them, it has therefore been a series of necessary measures that help improve the port services provision regime. A new proposal to the Restated Law Text has been drafted as the first step to embrace a future legal reform. Conclusions obtained on the research should set the new basis of a deep reflection about the need to bent on a new legal reform which firmly bets on Spanish port system competitiveness from three key points of view, service liberalization, ship load cost reduction and professionalization of freight handling related workers.