Estudio teórico y simulación de un OTDR para sistemas de comunicaciones por fibra óptica

El reflectómetro óptico en el dominio del tiempo, conocido por sus siglas en inglés como OTDR, es un dispositivo muy utilizado en sistemas de comunicaciones por fibra óptica para conocer de una manera rápida y sencilla como varía la potencia óptica a lo largo de la fibra óptica, siendo otro de sus usos frecuentes la localización de fallos y roturas en un enlace. Este proyecto fin de carrera, consiste en la realización mediante Matlab de una interfaz gráfica que permite simular un OTDR para distintos tipos de fibras, conectores y empalmes visualizándose por pantalla la variación de la potencia óptica en función de la distancia, pudiendo ampliar cualquier tramo del enlace que se desee visualizar con mayor detalle. Los objetivos del proyecto podemos establecerlos en dos partes. Primero, realizar una interfaz que nos permita diseñar un enlace de fibra óptica de forma sencilla, permitiendo además medir desde la atenuación de la fibra a la de un empalme. En segundo lugar, emplear la interfaz desarrollada para comprobar conceptos teóricos, haciendo hincapié en los principales errores de un enlace de fibra óptica real. Para una mejor visualización y concepción de lo implementado, es necesario revisar los principios básicos de funcionamiento de la fibra óptica y las principales características de un enlace, así como, los distintos dispositivos que lo componen, para después explicar el funcionamiento del OTDR y sus usos; por ello, en los capítulos segundo y tercero, se explican estas nociones básicas, necesarias para un mejor entendimiento del proyecto. Para poder utilizar la interfaz gráfica de usuario, el capítulo cuarto muestra la descripción de las funciones con parámetros, así como el manual de usuario de la interfaz gráfica. En el capítulo quinto se hace una recopilación y estudios de resultados para distintas simulaciones comprobando desde casos sencillos a casos extremos en los que se debe prestar una especial atención a los elementos que componen el enlace, siendo finalmente, en el sexto capítulo donde se presentan distintas conclusiones así como posibles trabajos futuros, a partir de lo realizado. ABSTRACT. The optical time domain reflectometer, known as OTDR, is a widely used device in systems for fiber optic communications used to know quick and simply how the optical power its varying along the fiber, with particular emphasis to another of its frequent uses in troubleshooting on a link. This final project consists in carrying through a graphical interface in Matlab to simulate an OTDR for different types of fibers, connectors and splices, visualizing the variation of optical power as a function of the distance. It is possible to zoom in specific sections to view them with greater detail. The project objectives can be set in two parts: - Make an interface that allows us to design a fiber optic link easily and measuring from the fiber attenuation to a splice one. - Use the interface developed to test theoretical concepts, emphasizing the most important mistakes of a real optical fiber link. For better visualization and understanding of what it’s been implemented, it is necessary to review the basic operating principles of fiber optics and the main characteristics of a fiber link, and also the different types of devices that comprise it, and then explaining also how the OTDR works and its uses, therefore, in second and third chapters, explains these basics needed for a better understanding of the project. To use the GUI, the fourth chapter shows the description of the functions with parameters and the user manual of the GUI. The fifth chapter is a compilation and study of some simulation results for simple cases to check from simply to extreme cases putting special attention to the elements that make up the link. To sum up, in the sixth chapter will appear different conclusions and possible future works for improving the graphical interface or making a new one.

Caracterización óptica de módulos fotovoltaicos semitransparentes de a-Si para integración en edificios comerciales

La inferencia del rendimiento final que los sistemas fotovoltaicos multifunción para edificación, más conocidos como Buiding Integrated PhotoVoltaics (BIPV), es decir, su funcionamiento y la viabilidad de los mismos, es hoy posible gracias a las herramientas de simulación disponibles. Estas requieren del conocimiento previo de los parámetros característicos de dichos elementos fotovoltaicos. Unos son obtenidos por mediciones directas o indirectas en el laboratorio, y otros mediante su monitorización en condiciones de funcionamiento reales. En este trabajo se ha abordado la caracterización óptica de los módulos fotovoltaicos comerciales de capa fina (a-Si) que están siendo utilizados en un proyecto propio del IES, en el cual se estudian estos aspectos. La característica más destacada de estos módulos es la gradación en su transparencia para adecuarlos a la integración como envolventes tipo muro cortina en edificios del sector terciario. En particular, el objetivo de este trabajo ha sido la medición de la transmitancia y la reflectancia espectrales, en los rangos UV/Vis/NIR, tanto en incidencia normal como bajo otros ángulos más próximos a los de operación. Con los resultados obtenidos, se han calculado los valores de la radiación reflejada y la transmitida, totales y por rangos UV, Vis y NIR, lo que permite la correcta caracterización de los módulos fotovoltaicos integrados en fachadas y la posterior evaluación de su impacto sobre el rendimiento eléctrico, térmico y la iluminación en un edificio.

Innovación en las técnicas de microscopía óptica aplicadas a la industria minera.

En la actualidad está plenamente reconocida la importancia de la caracterización mineralógica en el ámbito de la minería. Su aplicación es fundamental no sólo durante la etapa de diseño del circuito de concentración mineral, sino que se extiende también al control de calidad de los concentrados, al ajuste del circuito frente a variaciones de composición a medida que avanza la extracción en la mina, e incluso a la prevención de contaminación medioambiental. Tradicionalmente, el mineralogista se ha apoyado en el microscopio óptico y el contador de puntos para llevar a cabo la caracterización mineralógica. Sin embargo, una industria minera cada vez más exigente junto con la paulatina desaparición de expertos mineralogistas ha contribuido en gran medida al desarrollo de nuevas técnicas de análisis y a la evolución de las ya existentes. A menudo estas técnicas se apoyan en instrumentos costosos y de difícil mantenimiento (como el microscopio electrónico de barrido y la tecnología QEMSCAN), solo al alcance de grandes compañías mineras. Por todo ello, parece evidente que es necesaria una técnica que pueda realizar una caracterización mineral completa de manera más fiable y rápida que los métodos tradicionales, pero con un coste al alcance de la pequeña y mediana industria minera. El proyecto CAMEVA demuestra que esto es posible mediante un sistema automatizado de caracterización mineral basado en el análisis digital de imagen aplicado a la microscopia óptica de reflexión

Uso de DES y RANS no estacionario para la simulación del flujo alrededor de una carena Wigley - Use of Unsteady RANS and DES to simulate flows around a Wigley Hull)

Computer Fluid Dynamics tools have already become a valuable instrument for Naval Architects during the ship design process, thanks to their accuracy and the available computer power. Unfortunately, the development of RANSE codes, generally used when viscous effects play a major role in the flow, has not reached a mature stage, being the accuracy of the turbulence models and the free surface representation the most important sources of uncertainty. Another level of uncertainty is added when the simulations are carried out for unsteady flows, as those generally studied in seakeeping and maneuvering analysis and URANS equations solvers are used. Present work shows the applicability and the benefits derived from the use of new approaches for the turbulence modeling (Detached Eddy Simulation) and the free surface representation (Level Set) on the URANS equations solver CFDSHIP-Iowa. Compared to URANS, DES is expected to predict much broader frequency contents and behave better in flows where boundary layer separation plays a major role. Level Set methods are able to capture very complex free surface geometries, including breaking and overturning waves. The performance of these improvements is tested in set of fairly complex flows, generated by a Wigley hull at pure drift motion, with drift angle ranging from 10 to 60 degrees and at several Froude numbers to study the impact of its variation. Quantitative verification and validation are performed with the obtained results to guarantee their accuracy. The results show the capability of the CFDSHIP-Iowa code to carry out time-accurate simulations of complex flows of extreme unsteady ship maneuvers. The Level Set method is able to capture very complex geometries of the free surface and the use of DES in unsteady simulations highly improves the results obtained. Vortical structures and instabilities as a function of the drift angle and Fr are qualitatively identified. Overall analysis of the flow pattern shows a strong correlation between the vortical structures and free surface wave pattern. Karman-like vortex shedding is identified and the scaled St agrees well with the universal St value. Tip vortices are identified and the associated helical instabilities are analyzed. St using the hull length decreases with the increase of the distance along the vortex core (x), which is similar to results from other simulations. However, St scaled using distance along the vortex cores shows strong oscillations compared to almost constants for those previous simulations. The difference may be caused by the effect of the free-surface, grid resolution, and interaction between the tip vortex and other vortical structures, which needs further investigations. This study is exploratory in the sense that finer grids are desirable and experimental data is lacking for large α, especially for the local flow. More recently, high performance computational capability of CFDSHIP-Iowa V4 has been improved such that large scale computations are possible. DES for DTMB 5415 with bilge keels at α = 20º were conducted using three grids with 10M, 48M and 250M points. DES analysis for flows around KVLCC2 at α = 30º is analyzed using a 13M grid and compared with the results of DES on the 1.6M grid by. Both studies are consistent with what was concluded on grid resolution herein since dominant frequencies for shear-layer, Karman-like, horse-shoe and helical instabilities only show marginal variation on grid refinement. The penalties of using coarse grids are smaller frequency amplitude and less resolved TKE. Therefore finer grids should be used to improve V&V for resolving most of the active turbulent scales for all different Fr and α, which hopefully can be compared with additional EFD data for large α when it becomes available.

Desarrollo de códigos neutrónicos propios para la simulación del núcleo de reactores PWR

La simulación de la física del núcleo de los reactores nucleares por su complejidad requiere del uso de computadores y del software adecuado, y su evolución es ir hacía métodos y modelos de los llamados best-estimate, con el objeto de aumentar la disponibilidad de la central manteniendo los márgenes de seguridad. Para ello el Departamento de Ingeniería Nuclear (UPM), ha desarrollado el Sistema SEANAP en uso en varias centrales nucleares españolas, que realiza la simulación en 3D y con detalle de barrita combustible del quemado nominal y real del núcleo del reactor, hace el seguimiento en línea de la operación, y ayuda a la planificación óptima de las maniobras operacionales

Estudios de confort de vehículos ferroviarios mediante técnicas combinadas de simulación FEM y MBS

La elasticidad de la caja de viajeros de los vehículos ferroviarios tiene una gran influencia sobre el confort. Por esta razón, cuando se desea simular el comportamiento dinámico del vehículo para estudios de confort, resulta conveniente construir un modelo elástico de caja, a fin de obtener resultados más precisos. La construcción de este tipo de modelos pasa por el desarrollo de dos etapas fundamentales, que comprenden la generación de un modelo de caja mediante la técnica de los elementos finitos (FEM) para su caracterización dinámica como cuerpo elástico y la definición de un modelo de sistema multicuerpo (MBS) que englobe los restantes componentes del vehículo. En este artículo se presentan los resultados obtenidos en un estudio comparativo llevado a cabo con modelos de caja rígida y elástica, en los que se ha valorado el nivel de confort obtenido con ambas configuraciones. Para ello, se ha simulado el comportamiento del vehículo a dos velocidades distintas, de 70 y 110km/h, y con dos niveles de irregularidades. Se han analizado las aceleraciones de la caja, que se han procesado de acuerdo a las especificaciones de la norma EN12299, a fin de obtener el índice de comodidad. Este parámetro se ha utilizado para comparar el nivel de confort obtenido con ambos modelos, habiéndose encontrado una gran diferencia en los índices calculados con caja rígida y con caja elástica, lo que confirma la gran influencia de la elasticidad de la caja en los estudios de confort llevados a cabo mediante técnicas de simulación dinámica.

Simulación y modelización de las escaleras mecánicas como vía para la mejora del confort de los pasajeros y la disminución de costes

La escalera mecánica lleva más de un siglo entre nosotros, sin apenas variar su diseño de forma notoria. La simulación mecánica de este sistema multicuerpo, asignatura pendiente en la actualidad, ahorrará tiempo y dinero frente a los experimentos tradicionales. En esta línea, CITEF está desarrollando una serie herramientas de mejora del diseño basadas en modelos estáticos, cinemáticos y dinámicos para la simulación del comportamiento de la escalera mecánica convencional así como para el desarrollo y análisis de nuevos diseños. Estas herramientas permitirán el estudio de variables como son la velocidad y la aceleración del peldaño, así como los valores de tensión de la cadena y de reacción de los rodillos. Con los resultados obtenidos se podrán inferir mejoras que supongan una disminución del coste del conjunto de la escalera y del coste de mantenimiento, así como un aumento del confort del usuario.

Uso de Herramientas de Simulación Electrónica como Apoyo Docente en Electrónica de Potencia

El objetivo de este trabajo es el mostrar cómo las herramientas de simulación electrónica pueden apoyar didácticamente al profesor en la enseñanza de asignaturas relacionadas con la electrónica de potencia. Se va a presentar un ejemplo guiado de uso de este tipo de herramientas en para el diseño del circuito de control de un convertidor CC/CC para una aplicación de alimentación dual en el entorno del automóvil. Para diseñar el circuito de control es necesario determinar en primer lugar la respuesta en frecuencia del convertidor. Se va a hacer uso del programa Simplorer con la biblioteca SMPS Library como herramienta de simulación para este ejemplo. Existen modelos en dicha biblioteca que permiten obtener la respuesta en frecuencia del circuito de forma directa. Este artículo explica los pasos que deben seguirse para diseñar el circuito de control de un convertidor Buck multi-fase usando tanto modelos promediados como modelos conmutados.

Simulación dinámica y térmica de una habitación de acuerdo con el Código Técnico de la Edificación

El Código Técnico de la edificación (CTE), es el marco normativo por el que se regulan las exigencias básicas de calidad que deben de cumplir los edificios. Dichas exigencias establecen los requisitos imprescindibles en el ámbito de seguridad estructural, seguridad de utilización ahorro de energía, aislamiento térmico, higiene, salud, protección del medio ambiente…. y se rigen, cada una de ellas, por su norma específica (Norma UNE). La norma ISO 7730:2006 es una norma internacional que aborda la evaluación del medio ambiente, en el interior de un edificio, tal y como se recoge en el CTE. Con este propósito la norma establece la predicción de índices de calidad del aire IAQ (Indoor Air cuality) así como de la predicción del campo de velocidades, de temperatura y, en general, de todas las magnitudes físicas, características, tanto del aire como de los elementos constructivos utilizados en la edificación. Basándonos en estos criterios el objetivo de este trabajo es presentar los primeros resultados obtenidos en la simulación de parámetros de confort en una habitación, de una vivienda construida con criterios bioclimáticos, mediante el programa de simulación STAR_CCM+ de Computational Fluid Dynamics (CFD). Utilizando STAR_CCM+ diseñamos la habitación en estudio y simulamos el campo de velocidades y de temperatura, en el interior de la misma, para distintas configuraciones de aberturas utilizando los criterios de velocidad y de temperatura del aire dado por la ISO 7730:2006. En esta línea se está investigando actualmente y el trabajo que se presenta muestra que el programa de simulación utilizado permite, por un lado, diseñar la disposición más adecuada de las aberturas en una habitación en particular, y de una vivienda en general, y, por otro lado, hacer un estudio cualitativo y cuantitativo de los parámetros de confort en diferentes situaciones meteorológicas, de acuerdo con el CTE, incluso antes de que la vivienda esté construida

Simulación de un receptor digital de baja velocidad

La realización de este proyecto se basa en simular un sistema de recepción de baja velocidad para lo cual se opta por un modelo en el que primero se hará un filtrado a la entrada, después una traslación en frecuencia de la señal seguido de otro filtrado esta vez más selectivo y con una caída más abrupta y finalmente se implementarán los algoritmos de decodificación que se elijan. Finalmente se contermpla la opción de pasar esa simulación a lenguaje C y programar un DSP. La realización del proyecto constará de dos partes: - La primera parte consistirá en el estudio y características necesarias para cada uno de los elementos que se han definido para el sistema de recepción, eligiendo adecuadamente los tipos de filtro que se implementarán (FIR o IIR) en base al estudio de las características de cada uno de ellos, frecuencias de entrada y ancho de banda que se traten, métodos de filtrado, algoritmos de decodificación, etc. Se realizará una descripción teórica sobre los métodos de filtrado overlap add y overlap save así como del algoritmo cordic, explicando sus características y ventajas con respecto a los métodos clásicos. - La segunda parte será la de realizar una simulación de cada uno de esos elementos para ayudar a la comprensión del estudio realizado y comprobar que las características y decisiones adoptadas cumplan con lo requerido para el sistema de recepción estudiado. Los medios para realizar a cabo este desarrollo serán un programa de simulación basado en métodos numéricos como puede ser Matlab. Para la simulación de transmisión no se diseñarán funciones de modulación (QAM, FM AM, PSK)utilizando para ello las definidas en Matlab ya que no es objetivo de este proyecto realizar una simulación de transmisión. Tras generar la señal aleatoria se procede a su modulación y muestreo (para simular una transmisión a alta frecuencia en la que cada símbolo se repetirá durante varios ciclos de la portadora). Observando los resultados de las simulaciones del receptor comprobaremos cómo es posible evitar el uso de funciones trigonométricas u otros métodos de alto coste para varios tipos de modulaciones, demostrando que el resultado es similar al obtenido empleando métodos clásicos.

Modelación y simulación de la conexión a red de un parque eólico

Se tiene una red eléctrica compuesta por tres centrales térmicas convencionales y dos núcleos de consumo diferenciados, uno industrial y otro residencial, a la que se le va a conectar un parque eólico. El objetivo es dimensionar la línea de conexión y conocer el comportamiento de la red ante este cambio. Se han calculado las características de la línea eléctrica de conexión para satisfacer la potencia instalada del parque. También se ha estimado la demanda horaria de electricidad en las zonas residencial e industrial y se han tomado los valores horarios significativos de la potencia generada por el parque eólico, ambos, para las distintas estaciones del año. Como programa para la simulación de la red eléctrica se utilizó el PSS/E (Power System Simulator for Engineering) en el que, ayudándose del lenguaje de programación Python, se creó un código que cambiaba los datos horarios del consumo y la generación del parque, resolvía el flujo de cargas y exportaba los resultados que mostraban el comportamiento de la red para las distintas casuísticas. Finalmente, se analizaron los resultados de las potencias activa y reactiva generadas por las centrales convencionales, la tensión en los buses y las posibles sobrecargas.

Estudio de la inserción de regeneradores 1r en un enlace óptico WDM punto a punto mediante herramientas CAD

El objetivo de este proyecto es estudiar el posicionamiento óptimo de un amplificador óptico dopado con Erbio (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier) en un enlace de fibra óptica punto a punto a través de la herramienta de simulación VPI photonics. Primero, se han expuesto los principios físicos que definen el funcionamiento de este tipo de amplificadores 1R. Posteriormente se han realizado lo que hemos denominado escenarios, en los que se han diseñado distintos casos de estudio.

Modelado para simulación de redes de sensores inalámbricas predespliegue basado en visualsense

En este proyecto fin de máster se desarrolla un modelo de simulación de la plataforma Cookies y se define una interfaz de diseño que permita reflejar la principal característica diferencial de esta plataforma, la modularidad. Para ello se propone una estructura basada en 4 submodelos independientes, uno por cada una de las capas de la plataforma, definidos con máquinas de estados o FSM (Finite State Machine). Para cada una de las capas se crean varios modelos para probar que se cumple con la condición de que las todas las funcionalidades del nodo sean independientes entre sí, manteniendo así la modularidad característica de la plataforma Cookies.

Simulación de maniobras de buques con sistemas de propulsión no convencional en aguas poco profundas

Los requisitos cada vez más exigentes en cuanto a misiones, limitaciones operacionales y ambientales así como nuevas tecnologías, imponen permanentemente retos a los arquitectos navales para generar alternativas de buques y valorar su bondad en las primeras etapas del proyecto. Este es el caso de los Buques Patrulleros de Apoyo Fluvial Pesados PAF-P, que por requerimiento de la Armada Nacional de Colombia ha diseñado y construido COTECMAR. Los PAF-P, son buques fluviales cuya relación Manga-Calado excede la mayoría de los buques existentes (B/T=9,5), debido principalmente a las restricciones en el calado a consecuencia de la escasa profundidad de los ríos. Estos buques están equipados con sistemas de propulsión acimutales tipo “Pum-Jet”. Las particularidades del buque y del ambiente operacional, caracterizado por ríos tropicales con una variabilidad de profundidad dependiente del régimen de lluvias y sequía, así como la falta de canalización y la corriente, hacen que la maniobrabilidad y controlabilidad sean fundamentales para el cumplimiento de su misión; adicionalmente, no existen modelos matemáticos validados que permitan predecir en las primeras etapas del diseño la maniobrabilidad de este tipo de buques con los efectos asociados por profundidad. La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de un modelo matemático para simulación de maniobrabilidad en aguas poco profundas de buques con relación manga-calado alta y con propulsores acimutales tipo “Pump-Jet”, cuyo chorro además de entregar el empuje necesario para el avance del buque, genera la fuerza de gobierno en función del ángulo de orientación del mismo, eliminando la necesidad de timones. El modelo matemático ha sido validado mediante los resultados obtenidos en las pruebas de maniobrabilidad a escala real del PAF-P, a través de la comparación de trayectorias, series temporales de las variables de estado más significativas y parámetros del círculo evolutivo como son diámetro de giro, diámetro táctico, avance y transferencia. El plan de pruebas se basó en técnicas de Diseño de Experimentos “DOE” para racionalizar el número de corridas en diferentes condiciones de profundidad, velocidad y orientación del chorro (ángulo de timón). En el marco de la presente investigación y para minimizar los errores por efectos ambientales y por inexactitud en los instrumentos de medición, se desarrolló un sistema de adquisición y procesamiento de datos de acuerdo con los lineamientos de ITTC. La literatura existente describe los efectos negativos de la profundidad en los parámetros de maniobrabilidad de buques convencionales (Efecto tipo S), principalmente las trayectorias descritas en los círculos evolutivos aumentan en la medida que disminuye la profundidad; no obstante, en buques de alta relación manga-calado, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) y B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) ha sido reportado el efecto contrario (Efecto tipo NS Non Standart). Este último efecto sin embargo, ha sido observado mediante experimentación con modelos a escala pero no ha sido validado en pruebas de buques a escala real. El efecto tipo NS en buques dotados con hélice y timones, se atribuye al mayor incremento de la fuerza del timón comparativamente con las fuerzas del casco en la medida que disminuye la profundidad; en el caso de estudio, el fenómeno está asociado a la mejor eficiencia de la bomba de agua “Pump-Jet”, debido a la resistencia añadida en el casco por efecto de la disminución de la profundidad. Los resultados de las pruebas con buque a escala real validan el excelente desempeño de esta clase de buques, cumpliendo en exceso los criterios de maniobrabilidad existentes y muestran que el diámetro de giro y otras características de maniobrabilidad mejoran con la disminución de la profundidad en buques con alta relación manga-calado. ABSTRACT The increasingly demanding requirements in terms of missions, operational and environmental constraints as well as new technologies, constantly impose challenges to naval architects to generate alternatives and asses their performance in the early stages of design. That is the case of Riverine Support Patrol Vessel (RSPV), designed and built by COTECMAR for the Colombian Navy. RSPV are riverine ships with a Beam-Draft ratio exceeding most of existing ships (B/T=9,5), mainly due to the restrictions in draft as a result of shallow water environment. The ships are equipped with azimuthal propulsion system of the “Pump-Jet” type. The peculiarities of the ship and the operational environment, characterized by tropical rivers of variable depth depending on the rain and dry seasons, as well as the lack channels and the effect of water current, make manoeuvrability and controllability fundamental to fulfill its mission; on the other hand, there are not validated mathematical models available to predict the manoeuvrability of such ships with the associated water depth effects in the early stages of design. This dissertation addresses the development of a mathematical model for shallow waters’ manoeuvrability simulation of ships with high Beam-Draft ratio and azimuthal propulsion systems type “Pump-Jet”, whose stream generates the thrust required by the ship to advance and also the steering force depending on the orientation angle, eliminating the need of rudders. The mathematical model has been validated with the results of RSPV’s full scale manoeuvring tests, through a comparison of paths, time series of state variables and other parameters taken from turning tests, such as turning diameter, tactical diameter, advance and transfer. The test plan was developed applying techniques of Design of Experiments “DOE”, in order to rationalize the number of runs in different conditions of water depth, ship speed and jet stream orientation (rudder angle). A data acquisition and processing system was developed, following the guidelines of ITTC, as part of this research effort, in order to minimize errors by environmental effects and inaccuracy in measurement instruments, The negative effects of depth on manoeuvrability parameters for conventional ships (Effect Type S: the path described by the ship during turning test increase with decrease of water depth), has been documented in the open literature; however for wide-beam ships, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) and B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) has been reported the opposite effect (Type NS). The latter effect has been observed thru model testing but until now had not been validated with full-scale results. In ships with propellers and rudders, type NS effect is due to the fact that increment of rudder force becomes larger than hull force with decrease of water depth; in the study case, the phenomenon is associated with better efficiency of the Pump-Jet once the vessel speed becomes lower, due to hull added resistance by the effect of the decrease of water depth. The results of full scale tests validates the excellent performance of this class of ships, fulfilling the manoeuvrability criteria in excess and showing that turning diameter and other parameters in high beam-draft ratio vessels do improve with the decrease of depth.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.