Improvement of Mechanical Properties and Life Extension of High Reliability Structural Components by Laser Shock Processing

Profiting by the increasing availability of laser sources delivering intensities above 109 W/cm2 with pulse energies in the range of several Joules and pulse widths in the range of nanoseconds, laser shock processing (LSP) is being consolidating as an effective technology for the improvement of surface mechanical and corrosion resistance properties of metals and is being developed as a practical process amenable to production engineering. The main acknowledged advantage of the laser shock processing technique consists on its capability of inducing a relatively deep compression residual stresses field into metallic alloy pieces allowing an improved mechanical behaviour, explicitly, the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Following a short description of the theoretical/computational and experimental methods developed by the authors for the predictive assessment and experimental implementation of LSP treatments, experimental results on the residual stress profiles and associated surface properties modification successfully reached in typical materials (specifically Al and Ti alloys) under different LSP irradiation conditions are presented. In particular, the analysis of the residual stress profiles obtained under different irradiation parameters and the evaluation of the corresponding induced surface properties as roughness and wear resistance are presented.

Laser Shock Processing: An Emerging Technique for the Enhancement of Surface Properties and Fatigue Life of High Strength Metal Alloys

Profiting by the increasing availability of laser sources delivering intensities above 10 9 W/cm 2 with pulse energies in the range of several Joules and pulse widths in the range of nanoseconds, laser shock processing (LSP) is being consolidating as an effective technology for the improvement of surface mechanical and corrosion resistance properties of metals and is being developed as a practical process amenable to production engineering. The main acknowledged advantage of the laser shock processing technique consists on its capability of inducing a relatively deep compression residual stresses field into metallic alloy pieces allowing an improved mechanical behaviour, explicitly, the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Following a short description of the theoretical/computational and experimental methods developed by the authors for the predictive assessment and experimental implementation of LSP treatments, experimental results on the residual stress profiles and associated surface properties modification successfully reached in typical materials (specifically steels and Al and Ti alloys) under different LSP irradiation conditions are presented

Optimal fits of diffusion constants from single-time data points of Brownian trajectories

Experimental methods based on single particle tracking (SPT) are being increasingly employed in the physical and biological sciences, where nanoscale objects are visualized with high temporal and spatial resolution. SPT can probe interactions between a particle and its environment but the price to be paid is the absence of ensemble averaging and a consequent lack of statistics. Here we address the benchmark question of how to accurately extract the diffusion constant of one single Brownian trajectory. We analyze a class of estimators based on weighted functionals of the square displacement. For a certain choice of the weight function these functionals provide the true ensemble averaged diffusion coefficient, with a precision that increases with the trajectory resolution.

Dynamic Studies of Shell and Spatial Structures

For the past 20 years, dynamic analysis of shells has been one of the most fascinating fields for research. Using the new light materials the building engineer soon discovered that the subsequent reduction of gravity forces produced not only the desired shape freedom but the appearance of ecologic loads as the first factor of design; loads which present strong random properties and marked dynamic influence. On the other hand, the technological advance in the aeronautical and astronautical field placed the engineers in front of shell structures of nonconventional shape and able to sustain substantialy dynamic loads. The response to the increasingly challenger problems of the last two decades has been very bright; new forms, new materials and new methods of analysis have arosen in the design of off-shore platforms, nuclear vessels, space crafts, etc. Thanks to the intensity of the lived years we have at our disposition a coherent and homogeneous amount of knowledge which enable us to face problems of inconceivable complexity when IASS was founded. The open minded approach to classical problems and the impact of the computer are, probably, important factors in the Renaissance we have enjoyed these years, and a good proof of this are the papers presented to the previous IASS meetings as well as that we are going to consider in this one. Particularly striking is the great number of papers based on a mathematical modeling in front of the meagerness of those treating laboratory experiments on physical models. The universal entering of the computer into almost every phase of our lifes, and the cost of physical models, are –may be- reasons for this lack of experimental methods. Nevertheless they continue offering useful results as are those obtained with the shaking-table in which the computer plays an essential role in the application of loads as well as in the instantaneous treatment of control data. Plates 1 and 2 record the papers presented under dynamic heading, 40% of them are from Japan in good correlation with the relevance that Japanese research has traditionally showed in this area. Also interesting is to find old friends as profesors Tanaka, Nishimura and Kostem who presented valuable papers in previous IASS conferences. As we see there are papers representative of all tendencies, even purely analytical! Better than discuss them in detail, which can be done after the authors presentation, I think we can comment in the general pattern of the dynamical approach are summarized in plate 3.

Policy processes and collective action in water reforms: the cases of Nicaragua and Suriname

Las reformas de agua en países en desarrollo suelen llevarse a cabo junto con cambios institucionales más profundos o, incluso, acompañadas de cambios constitucionales o de régimen político. Por lo tanto, los marcos institucionales adaptados a países gobernados sujetos al estado de derecho pueden no ser apropiados para contextos gobernados fundamentalmente, al menos en sus inicios, por instituciones informales o poco maduras. Esta tesis toma las reformas de agua como punto de partida y pretende contribuir a la literatura mediante una serie de análisis empíricos tanto del ámbito general como del plano individual o sujeto personal de la política del agua. En el ámbito general, el foco se pone en los factores que explican el fallo de la acción colectiva en dos contextos diferentes: 1) en la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua y 2) en el mantenimiento y revitalización de las instituciones de riego en Surinam. En el plano del individuo, la investigación se centra en las decisiones de los usuarios de los recursos y analiza el papel crítico de las variables sociales para la gestión de los recursos comunes. Para ello, el método de investigación utilizado es mixto, combinando el análisis de entrevistas, encuestas y experimentos. En el ámbito general, los resultados muestran que las principales barreras para la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua podrían tener su reflejo en el lenguaje de la Ley y, por tanto, en la forma en la que se definen y configuran las instituciones incluidas en dicha Ley. Así, la investigación demuestra que la implementación de políticas no puede ser estudiada o entendida sin tener en cuenta tanto el diseño de la propia política como el marco socio-ecológico en el que se enmarca. El contexto específico de Nicaragua remarca la importancia de considerar tanto las instituciones formales como informales en los procesos de transición política. A pesar de que las reformas de agua requieren plazos largos para su implementación, el hecho de que exista una diferencia entre las reglas tal cual se definen formalmente y las reglas que operan en la realidad merece una mayor consideración en el diseño de políticas basadas fundamentalmente en instituciones formales. En el ámbito de la conducta individual, el análisis de la acción colectiva ofrece una serie de observaciones empíricas interesantes. En el caso de Nicaragua, los resultados indican que la intensidad de las relaciones sociales, el tipo de agentes dispuestos a proporcionar apoyo social y el nivel de confianza en la comunidad son factores que explican de manera significativa la participación en la comunidad. Sin embargo, el hecho de que la gestión colectiva de riego se produzca, en la mayoría de casos, en torno a lazos familiares sugiere que las variables de capital social críticas se definen en gran medida en la esfera familiar, siendo difícil que se extiendan fuera de estos nexos. El análisis experimental de los resultados de un juego de uso de recurso común y contribución al bien público muestra que las preferencias pro-sociales de los individuos y la heterogeneidad del grupo en términos de composición por sexo son factores que explican significativamente los resultados y las decisiones de apropiación a lo largo del juego. En términos del diseño de las políticas, es fundamental tener en cuenta las dinámicas de participación y uso de los recursos comunes de manera que los niveles de cooperación puedan mantenerse en el largo plazo, lo cual, como se observa en el caso de Surinam, no es siempre posible. Finalmente, el caso de Surinam es un ejemplo ilustrativo de los procesos de acción colectiva en economías en transición. El análisis del fallo de la acción colectiva en Surinam muestra que los procesos políticos vinculados al período colonial y de independencia explican en gran medida la falta de claridad en las reglas operacionales y colectivas que gobiernan la gestión de los sistemas de riego y drenaje. Los resultados empíricos sugieren que a pesar de que la acción colectiva para la provisión de los servicios de riego y drenaje estaba bien establecida bajo el régimen colonial, la auto-organización no prosperó en un contexto dependiente del apoyo externo y regido fundamentalmente por reglas diseñadas al nivel competencial del gobierno central. El sistema socio-ecológico que se desarrolló durante la transición post-colonial favoreció, así, la emergencia de comportamientos oportunistas, y posteriormente la inoperancia de los Water Boards (WBs) creados en la época colonial. En este sentido, cualquier intento por revitalizar los WBs y fomentar el desarrollo de la auto-organización de los usuarios necesitará abordar los problemas relacionados con los patrones demográficos, incluyendo la distribución de la tierra, el diseño de instituciones y la falta de confianza en el gobierno, además de las inversiones típicas en infraestructura y sistemas de información hidrológicos. El liderazgo del gobierno, aportando empuje de arriba-abajo, es, además, otro elemento imprescindible en Surinam. ABSTRACT Water reforms in developing countries take place along deeper institutional and even constitutional. Therefore, institutional frameworks that might result in positive outcomes in countries governed by the rule of law might not fit in contexts governed mainly by informal or immature institutions. This thesis takes water reforms as the starting point and aims to contribute to the literature by presenting several conceptual and empirical analyses at both general and individual levels. At the general national level, the focus is on the factors explaining failure of collective action in two different settings: 1) in the implementation of the new Nicaraguan Water Law and 2) in sustaining and revitalizing irrigation institutions in Suriname. At the individual level, the research focuses on the actions of resource users and analyzes the critical role of social variables for common pool resources management. For this purpose, the research presented in this thesis makes use of a mixed-method approach, combining interviews, surveys and experimental methods. Overall, the results show that major barriers for the implementation of the new Nicaraguan Water Law have its reflection on the language of the Law and, therefore, on the way institutions are defined and configured. In this sense, our study shows that implementation cannot fruitfully be studied and understood without taking into account both the policy design and the social-ecological context in which it is framed. The specific setting of Nicaragua highlights the relevance of considering both formal and informal institutions when promoting policy transitions. Despite the unquestionable fact that water reforms implementation needs long periods of time, there is still a gap between the rules on paper and the rules on the ground that deserves further attention when proposing policy changes on the basis of formal institutions. At the level of the individual agent, the analysis of collective action provides a number of interesting empirical insights. In the case of Nicaragua, I found that the intensity of social networks, the type of agents willing to provide social support and the level of trust in the community are all significant factors in explaining collective action at community level. However, the fact that most collective irrigation relies on family ties suggests that critical social capital variables might be defined within the family sphere and making it difficult to go beyond it. Experimental research combining a common pool resource and a public good game in Nicaragua shows that individuals’ pro-social traits and group heterogeneity in terms of sex composition are significant variables in explaining efficiency outcomes and effort decisions along the game. Thus, with regard to policy design, it is fundamental to consider carefully the dynamics of agents' participation and use of common pool resources, for sustaining cooperation in the long term, which, as seen in the case and Surinam, is not always possible. The case of Suriname provides a rich setting for the analysis of collective action in transition economies. The analysis of decay of collective irrigation in Suriname shows that the lack of clear operational and collective choice rules appear to be rooted in deeper political processes that date back to the colonial period. The empirical findings suggest that despite collective action for the provision of irrigation and drainage services was well established during the colonial period, self-organization did not flourish in a context governed by colonial state-crafted rules and mostly dependent on external support. The social-ecological system developed during the post-colonial transition process favored the emergence of opportunistic behavior. In this respect, any attempt to revitalize WBs and support self-organization will need to tackle the problems derived from demographic patterns, including land allocation, institutions design and government distrust, in addition to the typical investments in both physical infrastructure and hydrological information systems. The leadership role of the government, acting as a top-down trigger, is another essential element in Suriname.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Contribución al estudio de propiedades ópticas en medios heterogéneos

Como contribución del estudio de medios heterogéneos, esta tesis recoge el trabajo llevado a cabo sobre modelado teórico y simulación del estudio de las propiedades ópticas de la piel y del agua del mar, como ejemplos paradigmáticos de medios heterogéneos. Se ha tomado como punto de partida el estudio de la propagación de la radiación óptica, más concretamente de la radiación láser, en un tejido biológico. La importancia de la caracterización óptica de un tejido es fundamental para manejar la interacción radiación-tejido que permite tanto el diagnóstico como la terapéutica de enfermedades y/o de disfunciones en las Ciencias de la Salud. Sin olvidar el objetivo de ofrecer una metodología de estudio, con un «enfoque ingenieril», de las propiedades ópticas en un medio heterogéneo, que no tiene por qué ser exclusivamente el tejido biológico. Como consecuencia de lo anterior y de la importancia que tiene el agua dentro de los tejidos biológicos se decide estudiar en otro capítulo las propiedades ópticas del agua dentro de un entorno heterogéneo como es el agua del mar. La selección del agua del mar, como objeto de estudio adicional, es motivada, principalmente, porque se trata de un sistema heterogéneo fácilmente descriptible en cada uno de sus elementos y permite evaluar una amplia bibliografía. Además se considera que los avances que han tenido lugar en los últimos años en las tecnologías fotónicas van a permitir su uso en los métodos experimentales de análisis de las aguas. El conocimiento de sus propiedades ópticas permite caracterizar los diferentes tipos de aguas de acuerdo con sus compuestos, así como poder identificar su presencia. Todo ello abre un amplio abanico de aplicaciones. En esta tesis doctoral, se ha conseguido de manera general: • Realizar un estudio del estado del arte del conocimiento de las propiedades ópticas de la piel y la identificación de sus elementos dispersores de la luz. • Establecer una metodología de estudio que nos permita obtener datos sobre posibles efectos de la radiación en los tejidos biológicos. •Usar distintas herramientas informáticas para simular el transporte de la radiación laser en tejidos biológicos. • Realizar experimentos mediante simulación de láser, tejidos biológicos y detectores. • Comparar los resultados conocidos experimentalmente con los simulados. • Estudiar los instrumentos de medida de la respuesta a la propagación de radiación laser en tejidos anisotrópicos. • Obtener resultados originales para el diagnóstico y tratamiento de pieles, considerando diferente razas y como alteración posible en la piel, se ha estudiado la presencia del basalioma. • Aplicación de la metodología de estudio realizada en la piel a la simulación de agua de mar. • Obtener resultados originales de simulación y análisis de cantidad de fitoplancton en agua; con el objetivo de facilitar la caracterización de diferentes tipos de aguas. La tesis doctoral se articula en 6 capítulos y 3 anexos perfectamente diferenciados con su propia bibliografía en cada uno de ellos. El primer capítulo está centrado en la problemática del difícil estudio y caracterización de los medios heterogéneos debidos a su comportamiento no homogéneo y anisotrópico ante las radiaciones ópticas. Así pues, presentaremos una breve introducción al comportamiento tanto de los tejidos como del océano ante radiaciones ópticas y definiremos sus principales propiedades: la absorción, el scattering, la anisotropía y los coeficientes de reflexión. Como continuación, un segundo capítulo trata de acercarnos a la resolución del problema de cómo caracterizar las propiedades ópticas descritas en el primer capítulo. Para ello, primero se introducen los modelos teóricos, en segundo lugar los métodos de simulación más empleados y, por último, enumerar las principales técnicas de medida de la propagación de la luz en los tejidos vivos. El tercer capítulo, centrado en la piel y sus propiedades, intenta realizar una síntesis de lo que se conoce sobre el comportamiento de la piel frente a la propagación de las radiaciones ópticas. Se estudian sus elementos constituyentes y los distintos tipos de pieles. Por último se describe un ejemplo de aplicación más inmediata que se beneficia de este conocimiento. Sabemos que el porcentaje de agua en el cuerpo humano es muy elevado, en concreto en la piel se considera de aproximadamente un 70%. Es obvio, por tanto, que conocer cómo afecta el agua en la propagación de una radiación óptica facilitaría el disponer de patrones de referencia; para ello, se realiza el estudio del agua del mar. En el cuarto capítulo se estudian las propiedades del agua del mar como medio heterogéneo de partículas. En este capítulo presentamos una síntesis de los elementos más significativos de dispersores en el océano, un estudio de su comportamiento individual frente a radiaciones ópticas y su contribución al océano en su conjunto. Finalmente, en el quinto capítulo se describen los resultados obtenidos en los distintos tipos de simulaciones realizadas. Las herramientas de simulación empleadas han sido las mismas tanto para el caso del estudio de la piel como para el agua del mar, por ello ambos resultados son expuestos en el mismo capítulo. En el primer caso se analizan diferentes tipos de agua oceánica, mediante la variación de las concentraciones de fitoplancton. El método empleado permite comprobar las diferencias que pueden encontrarse en la caracterización y diagnóstico de aguas. El segundo caso analizado es el de la piel; donde se estudia el comportamiento de distintos tipos de piel, se analizan para validar el método y se comprueba cómo el resultado es compatible con aplicaciones, actualmente comerciales, como la de la depilación con láser. Como resultado significativo se muestra la posible metodología a aplicar para el diagnóstico del cáncer de piel conocido como basalioma. Finalmente presentamos un capítulo dedicado a los trabajos futuros basados en experimentación real y el coste asociado que implicaría el llevarlo a cabo. Los anexos que concluyen la tesis doctoral versan por un lado sobre el funcionamiento del vector común de toda la tesis: el láser, sus aplicaciones y su control en la seguridad y por otro presentamos los coeficientes de absorción y scattering que hemos utilizado en nuestras simulaciones. El primero condensa las principales características de una radiación láser desde el punto de vista de su generación, el segundo presenta la seguridad en su uso y el tercero son tablas propias, cuyos parámetros son los utilizados en el apartado de experimentación. Aunque por el tipo de tesis que defiendo no se ajusta a los modelos canónicos de tesis doctoral, el lector podrá encontrar en esta tesis de forma imbricada, el modelo común a todas las tesis o proyectos de investigación con una sección dedicada al estado del arte con ejemplos pedagógicos para facilitar la compresión y se plantean unos objetivos (capítulos 1-4), y un capítulo que se subdivide en materiales y métodos y resultados y discusiones (capítulo 5 con sus subsecciones), para finalizar con una vista al futuro y los trabajos futuros que se desprenden de la tesis (capítulo 6). ABSTRACT As contribution to the study of heterogeneous media, this thesis covers the work carried out on theoretical modelling and simulation study of the optical properties of the skin and seawater, as paradigmatic examples of heterogeneous media. It is taken as a starting point the study of the propagation of optical radiation, in particular laser radiation in a biological tissue. The importance of optical characterization of a tissue is critical for managing the interaction between radiation and tissues that allows both diagnosis and therapy of diseases and / or dysfunctions in Health Sciences. Without forgetting the aim of providing a methodology of study, with "engineering approach" of the optical properties in a heterogeneous environment, which does not have to be exclusively biological tissue. As a result of this and the importance of water in biological tissues, we have decided to study the optical properties of water in a heterogeneous environment such as seawater in another chapter. The selection of sea water as an object of further study is motivated mainly because it is considered that the advances that have taken place in recent years in photonic technologies will allow its use in experimental methods of water analysis. Knowledge of the optical properties to characterize the different types of waters according to their compounds, as well as to identify its presence. All of this opens a wide range of applications. In this thesis, it has been generally achieved: • Conduct a study of the state of the art knowledge of the optical properties of the skin and identifying its light scattering elements. • Establish a study methodology that allows us to obtain data on possible effects of radiation on biological tissues. • Use different computer tools to simulate the transport of laser radiation in biological tissues. • Conduct experiments by simulating: laser, detectors, and biological tissues. • Compare the known results with our experimentally simulation. • Study the measuring instruments and its response to the propagation of laser radiation in anisotropic tissues. • Get innovative results for diagnosis and treatment of skin, considering different races and a possible alteration in the skin that we studied: the presence of basal cell carcinoma. • Application of the methodology of the study conducted in the skin to simulate seawater. • Get innovative results of simulation and analysis of amount of phytoplankton in water; in order to facilitate the characterization of different types of water. The dissertation is divided into six chapters and three annexes clearly distinguished by their own literature in each of them. The first chapter is focused on the problem of difficult study and characterization of heterogeneous media due to their inhomogeneous and anisotropic behaviour of optical radiation. So we present a brief introduction to the behaviour of both tissues at the cellular level as the ocean, to optical radiation and define the main optical properties: absorption, scattering, anisotropy and reflection coefficients. Following from this, a second chapter is an approach to solving the problem of how to characterize the optical properties described in the first chapter. For this, first the theoretical models are introduced, secondly simulation methods more used and, finally, the main techniques for measuring the propagation of light in living tissue. The third chapter is focused on the skin and its properties, tries to make a synthesis of what is known about the behaviour of the skin and its constituents tackle the spread of optical radiation. Different skin types are studied and an example of immediate application of this knowledge benefits described. We know that the percentage of water in the human body is very high, particularly in the skin is considered about 70%. It is obvious, therefore, that knowing how the water is affected by the propagation of an optical radiation facilitate to get reference patterns; For this, the study of seawater is performed. In the fourth chapter the properties of seawater as a heterogeneous component particles are studied. This chapter presents a summary of the scattering elements in the ocean, its individual response to optical radiation and its contribution to the ocean as a whole. In the fifth chapter the results of the different types of simulations are described. Simulation tools used were the same for the study of skin and seawater, so both results are presented in the chapter. In the first case different types of ocean water is analysed by varying the concentrations of phytoplankton. The method allows to check the differences that can be found in the characterization and diagnosis of water. The second case analysed is the skin; where the behaviour of different skin types are studied and checked how the result is compatible with applications currently trade, such as laser hair removal. As a significant result of the possible methodology to be applied for the diagnosis of skin cancer known as basal cell carcinoma is shown. Finally we present a chapter on future work based on actual experimentation and the associated cost which it would involve carrying out. The annexes conclude the thesis deal with one hand on the functioning of the common vector of the whole thesis: laser, control applications and safety and secondly we present the absorption and scattering coefficients we used in our simulations. The first condenses the main characteristics of laser radiation from the point of view of their generation, the second presents the safety in use and the third are own tables, whose parameters are used in the experimental section. Although the kind of view which I advocate does not meet the standard models doctoral thesis, the reader will find in this thesis so interwoven, the common model to all theses or research projects with a section on the state of the art pedagogical examples to facilitate the understanding and objectives (Chapters 1-4), and a chapter is divided into materials and methods and results and discussions (Chapter 5 subsections) arise, finishing with a view to the future and work future arising from the thesis (Chapter 6).

Desarrollo y Caracterización del Método de Dinamolisis Capilar para el Análisis de Suelos Contaminados: estudio de los suelos de Linares

El establecimiento de políticas de vigilancia y protección del suelo exige la validación de métodos de análisis eficaces para determinar la calidad del suelo y hacer posible su evaluación en relación con su estado de contaminación. Para poder caracterizar el suelo desde el punto de vista de su vitalidad, se han investigado los Métodos de Formación de Imágenes (Bildschaffende Methode) y en particular los métodos de Dinamolisis Capilar (Steigbild Methode) desarrollados por L. Kolisko. Partiendo de la configuración horizontal conocida como Chroma-Test, propuesta por E. Pfeiffer, se han identificado las modificaciones del método original que hacen posible su validación. A continuación se han verificado realizando ensayos ciegos colaborativos y comparando los resultados con los obtenidos por otros métodos experimentales utilizados para evaluar la fertilidad del suelo. Como caso práctico se presenta una investigación en el antiguo distrito minero de plomo de Linares, situado en Jaén, España. Esta investigación sienta las bases para un avance significativo en la evaluación de los suelos y su posible calificación como contaminados. El método Horizontal de Dinamolisis Capilar propuesto permite identificar de forma simple y directa los efectos inhibidores de las funciones del suelo debidas tanto a la contaminación puntual o local como a la contaminación difusa. AB S TRACT Establishing policies for Soil protection and monitoring, requires the validation of effective analytical methods for determining soil quality and assess the state of contamination. The possibilities of Image Forming Methods (Bildschaffende Methode), and in particular the methods of Capillary Dynamolysis (Steigbild Methode) of L. Kolisko have been investigated in order to characterize soil quality from the point of view of its vitality. Based on the horizontal configuration known as Chroma-Test, proposed by E. Pfeiffer, the amendments to the original method that enable validation have been identified, and then verified through collaborative blind tests and through comparison with results provided by other experimental methods often used in agriculture to assess soil quality. As a case study the investigation at the former lead mining district of Linares, located in Jaen, Spain, is presented. This research lays the groundwork for significant progress in the assessment of soils and their possible declaration as contaminated. The proposed Horizontal Capyllary Dynamolysis Method allows to identify in a simple and direct way the inhibiting effects on soil functions due to both local contamination and/or diffuse contamination.

Caracterización de la cerámica para su empleo como material de enfriamiento evaporativo en la envolvente de los edificios = Ceramic characterization towards its application as evaporative cooling material in building envelopes

El presente trabajo de investigación determina las características de la cerámica que más eficientemente se comporta a evaporación y a enfriamiento. Con el objeto de ser empleado como material integrado en la envolvente de los edificios para reducir su carga de refrigeración. La cerámica es un buen material para ser empleado para la refrigeración por evaporación. Es un sólido poroso inerte que, tras ser sometido a cocción a temperaturas por encima de los 900ºC, resulta uno de los materiales que mejor se comportan como contenedor de agua en su red capilar para, posteriormente, ir liberándola por evaporación al mismo tiempo que se enfría su superficie. La metodología general de investigación, se divide en tres etapas: Búsqueda y análisis del estado de la técnica y de la investigación. Estudio teórico de la eficacia del enfriamiento evaporativo como estrategia de enfriamiento pasivo en la arquitectura. Etapa experimental, desarrollada en tres fases: una primera de definición de los parámetros determinantes del Enfriamiento Evaporativo en piezas cerámicas, una segunda de selección cerámica y diseño de ensayos experimentales y una tercera de caracterización de la cerámica bajo criterios de evaporación y de enfriamiento. El recorrido por el estado de la cuestión ha identificado las aplicaciones tecnológicas y las investigaciones científicas que emplean el Enfriamiento Evaporativo con piezas cerámicas como técnica de enfriamiento. Como resultado se ha obtenido una tabla de clasificación de sistemas de enfriamiento evaporativo y se ha constatado que el conjunto de las aplicaciones están centradas en el diseño de piezas o sistemas pero que, sin embargo, no existe una definición de las características de la cerámica para su empleo como material de enfriamiento por evaporación. El estudio teórico de la eficacia del empleo del enfriamiento evaporativo como estrategia de enfriamiento pasivo en la arquitectura se ha realizado mediante cálculos de porcentaje de ampliación de horas en confort con empleo de técnicas de enfriamiento evaporativo directo e indirecto (EED y EEI). Como resultado se obtienen unos mapas para el ámbito español de potencial de aplicación del EED y EEI. Los resultados permiten afirmar que mediante EE se puede llegar a confort en prácticamente la totalidad de las horas de los días más cálidos del año en muchas localidades. La metodología experimental se ha desarrollado en tres fases. En la fase inicial, se han definido los parámetros determinantes del enfriamiento evaporativo en un medio cerámico mediante ensayos experimentales de capacidad de evaporación y de caracterización. Se realizaron un total de 12 ensayos. Se determinó que el material cerámico tiene una gran influencia en la capacidad de evaporación y enfriamiento en las piezas cerámicas, apoyando la hipótesis inicial y la necesidad de caracterizar el material. La primera fase empírica se centró en la selección cerámica y el diseño de los ensayos experimentales de comportamiento hídrico. Se seleccionaron muestras de 5 tipos de cerámica. Se realizaron 4 tipos de ensayos de caracterización y 6 tipos de ensayos experimentales de comportamiento hídrico (total 123 muestras ensayadas). Los resultados obtenidos son de dos tipos, por un lado, se determinó cuál es el tipo de cerámica que más eficientemente se comporta a EE y, por otro, se rediseñaron los ensayos de la última fase experimental. Para la segunda fase experimental se seleccionaron cerámicas de fabricación manual abarcando el mayor número de localidades del ámbito español. Se realizaron ensayos de caracterización de 7 tipos y ensayos de comportamiento hídrico de 5 tipos (total 197 muestras ensayadas). Los resultados de caracterización han permitido aportar unos rangos de las características de la cerámica que más eficientemente se comporta en los ensayos de comportamiento hídrico. Al final de la investigación se ha caracterizado el material cerámico aportando características acerca de su porosidad, capacidad de absorción, color, rugosidad y mineralogía. Así como datos de referencia de su comportamiento hídrico. Además se ha desarrollado una metodología de ensayo específica que permite evaluar la capacidad de enfriamiento eficiente de una pieza cerámica. ABSTRACT The purpose of this research is to determine the characteristics of ceramic materials having the most efficient performance in terms of evaporation and cooling, so that they can be integrated in building envelopes to reduce cooling loads. Ceramics are suitable materials for cooling through passive evaporation. After being fired at temperatures over 900 °C (1,652 °F), the capillary network of this inert porous medium turns to be excellent to retain water, which is progressively liberated by evaporation while the material surface gets colder. Research methodology has involved the following steps: Search and analysis on the state of the art in technology and research. Theoretical study on the efficiency of evaporation as passive cooling strategies in buildings. Experimental stage developed in three phases, namely: definition of parameters determining evaporative cooling in ceramic elements; ceramic selection and design of experimental tests; characterization of ceramic materials under evaporation and cooling criteria. Search and analysis on the state of the art in this field have been useful to identify technology applications and scientific research where ceramics are employed for evaporative cooling. The resulting table shows that applications are wholly focused on the design of pieces and systems. Nonetheless, there is lack of definition of material characteristics in this scope. The theoretical study on efficiency of the passive strategy applied to buildings has been realized by calculation of the percentage increase in comfort hours through direct/indirect evaporative cooling techniques (DEC/IEC). The mapping of their potential application in Spain clearly shows that comfort conditions can be reached in almost all the hours of the hottest days in many towns. In the initial phase of the experimental stage, parameters determining evaporative cooling in ceramic media have been defined. For this purpose, characterization tests and evaporation and cooling rates experiments have been carried out; the number of samples tested amounted to 12. It has been concluded that material characteristics have great influence on these rates, which supports the initial hypothesis and the need for their characterization. The first empirical phase has focused on ceramic selection and design of water behaviour experimental methods. The samples covered five different kinds of ceramic materials. Four different characterization tests and six different water behaviour experiments were carried out; the number of samples tested amounted to 123. The experimental testing procedures served to determine the most efficient types of ceramic materials in terms of evaporative cooling efficiency and, at the same time, made it necessary to change the original designed experimental test for the last phase. In the second phase, a number of varied hand-made ceramic tiles have been selected. Seven different characterization tests and five different water behaviour tests were carried out; the number of samples amounted to 197. The results of characterization served to establish a range of features in ceramic materials according to their efficiency in water behaviour experiments. Finally, ceramic materials have been characterized according to porosity, water absorption, colour, surface roughness and mineralogy. Also, reference data regarding water behaviour have been included. Moreover, an innovative and specific experimental test to evaluate cooling efficiency of ceramic tiles has been developed.

Shaking table tests of structures with hysteretic dampers: experimental results vs. prediction using non-linear static methods

The use of seismic hysteretic dampers for passive control is increasing exponentially in recent years for both new and existing buildings. In order to utilize hysteretic dampers within a structural system, it is of paramount importance to have simplified design procedures based upon knowledge gained from theoretical studies and validated with experimental results. Non-linear Static Procedures (NSPs) are presented as an alternative to the force-based methods more common nowadays. The application of NSPs to conventional structures has been well established; yet there is a lack of experimental information on how NSPs apply to systems with hysteretic dampers. In this research, several shaking table tests were conducted on two single bay and single story 1:2 scale structures with and without hysteretic dampers. The maximum response of the structure with dampers in terms of lateral displacement and base shear obtained from the tests was compared with the prediction provided by three well-known NSPs: (1) the improved version of the Capacity Spectrum Method (CSM) from FEMA 440; (2) the improved version of the Displacement Coefficient Method (DCM) from FEMA 440; and (3) the N2 Method implemented in Eurocode 8. In general, the improved version of the DCM and N2 methods are found to provide acceptable accuracy in prediction, but the CSM tends to underestimate the response.

Nonparametric Message Passing Methods for Cooperative Localization and Tracking

The objective of this thesis is the development of cooperative localization and tracking algorithms using nonparametric message passing techniques. In contrast to the most well-known techniques, the goal is to estimate the posterior probability density function (PDF) of the position of each sensor. This problem can be solved using Bayesian approach, but it is intractable in general case. Nevertheless, the particle-based approximation (via nonparametric representation), and an appropriate factorization of the joint PDFs (using message passing methods), make Bayesian approach acceptable for inference in sensor networks. The well-known method for this problem, nonparametric belief propagation (NBP), can lead to inaccurate beliefs and possible non-convergence in loopy networks. Therefore, we propose four novel algorithms which alleviate these problems: nonparametric generalized belief propagation (NGBP) based on junction tree (NGBP-JT), NGBP based on pseudo-junction tree (NGBP-PJT), NBP based on spanning trees (NBP-ST), and uniformly-reweighted NBP (URW-NBP). We also extend NBP for cooperative localization in mobile networks. In contrast to the previous methods, we use an optional smoothing, provide a novel communication protocol, and increase the efficiency of the sampling techniques. Moreover, we propose novel algorithms for distributed tracking, in which the goal is to track the passive object which cannot locate itself. In particular, we develop distributed particle filtering (DPF) based on three asynchronous belief consensus (BC) algorithms: standard belief consensus (SBC), broadcast gossip (BG), and belief propagation (BP). Finally, the last part of this thesis includes the experimental analysis of some of the proposed algorithms, in which we found that the results based on real measurements are very similar with the results based on theoretical models.

Comparison of experimental and numerical sloshing loads in partially filled tanks

Sloshing describes the movement of liquids inside partially filled tanks, generating dynamic loads on the tank structure. The resulting impact pressures are of great importance in assessing structural strength, and their correct evaluation still represents a challenge for the designer due to the high level of nonlinearities involved, with complex free surface deformations, violent impact phenomena and influence of air trapping. In the present paper, a set of two-dimensional cases, for which experimental results are available, is considered to assess the merits and shortcomings of different numerical methods for sloshing evaluation, namely two commercial RANS solvers (FLOW-3D and LS-DYNA), and two academic software (Smoothed Particle Hydrodynamics and RANS). Impact pressures at various critical locations and global moment induced by water motion in a partially filled rectangular tank, subject to a simple harmonic rolling motion, are evaluated and predictions are compared with experimental measurements. 2012 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

Biostimulation methods associated with early weaning and reproductive rhythms in primiparous rabbit does

El objetivo general de esta Tesis Doctoral ha sido tratar de mejorar los parámetros reproductivos de las conejas primíparas lactantes, empleando dos métodos de manejo (destete temprano y extensificación del ritmo reproductivo), que están directamente relacionados con su balance energético. Para ello, se diseñaron 2 experimentos en este tipo de hembras. En el primero, se estudió el efecto del destete a 25 días post-parto (dpp) sobre la actividad ovárica y el metabolismo energético de las conejas una semana más tarde (32 dpp). Un total de 34 primíparas lactantes con 8 gazapos fueron distribuidas en tres grupos: 10 conejas se sacrificaron a los 25 dpp (grupo L25), 13 fueron destetadas a los 25 dpp y sacrificadas a los 32 dpp (grupo NL32), y 11 conejas no se destetaron y fueron sacrificadas a los 32 dpp (grupo L32). No se observaron diferencias significativas entre grupos en el peso corporal, el peso del ovario, ni en las concentraciones séricas de ácidos grasos no esterificados y de proteínas totales. A pesar de que el grupo NL32 presentó un bajo consumo de alimento (122 ± 23,5 g / día, p <0,001), su contenido corporal estimado de lípidos (16,9 ± 1,09%, P <0,008), proteínas (19,7 ± 0,07%, P <0,0001), y energía (1147 ± 42,7 MJ / kg, p <0,006) fueron más elevados y las concentraciones séricas de glucosa (158 ± 24,5 mg/dl, p <0,04) más bajas que en los grupos L25 (11,9 ± 1,3%, 18,5 ± 0,08%, 942 ± 51,3 MJ/kg y 212 ± 27,9 mg/dl) y L32 (13,4 ± 1,03%, 18,5 ± 0,1%, 993 ± 40,4 MJ/kg y 259 ± 29,5 mg/dl), respectivamente. En el grupo L25 se observó un menor número medio de folículos ≥ 1 mm en la superficie ovárica en comparación con los grupos NL32 y L32 (12,7 ± 1,5 vs. 18,0 ± 1,45 y 17,6 ± 1,67, p <0,05). La población folicular ovárica en las secciones histológicas y la inmunolocalización de los receptores de prolactina fueron similares en todos los grupos. En el grupo L25, tanto la maduración nuclear de oocitos, medida en términos de tasas alcanzadas de Metafase II (67,0 vs. 79,7 y 78,3%, P <0.05) y la maduración citoplasmática, medida por el porcentaje de gránulos corticales (GC) total o parcialmente migrados en los oocitos, fueron significativamente menores que en los grupos NL32 y L32 (16,0 vs 38,3 y 60,0%, P <0.05). En conclusión, a pesar de que el destete precoz a 25 dpp pareció mejorar las reservas de energía de las conejas primíparas, este hecho no se reflejó claramente a nivel ovárico a los 32 dpp y fue similar independientemente del destete, por lo que éste último podría llevarse a cabo más tarde. En el segundo experimento, se compararon dos ritmos reproductivos. Se utilizaron un total de 48 conejas primíparas lactantes con 8 gazapos que se asignaron al azar en dos grupos experimentales: a) lactantes sacrificadas a comienzos del post-parto (11 dpp) de acuerdo a un ritmo semi-intensivo (n = 24), y b) lactantes sacrificadas al final del período post-parto (25 dpp) de acuerdo con un ritmo más extensivo (n = 24). En ellas, se estudió el peso vivo, la composición corporal estimada, parámetros metabólicos y endocrinos (estradiol y progesterona) y características ováricas como la población folicular y la tasa de atresia, así como la maduración nuclear y citoplásmica de los oocitos. En este estudio, el peso vivo, el contenido de energía corporal, los depósitos grasos y los ácidos grasos no esterificados disminuyeron a lo largo del post-parto con respecto al momento del parto (P <0,05). Las concentraciones séricas de proteínas y glucosa aumentaron en el mismo periodo post-parto (P <0,05). Se observaron similares niveles de estradiol y progesterona en ambos ritmos, así como una población folicular, tasas de maduración nuclear (tasa de oocitos en metafase II) y citoplasmática (porcentaje de oocitos con gránulos corticales migrados), similares en ambos momentos del post-parto. Sin embargo, el número de folículos preovulatorios en la superficie ovárica fue menor (P <0,05) y la tasa de atresia tendió a ser mayor con un porcentaje también menor de folículos sanos (P <0,1) en los ovarios de las hembras sometidas al ritmo extensivo. En conclusión, al final del post-parto (25 días), las conejas primíparas sin destetar muestran un deterioro de sus reservas corporales, de sus parámetros metabólicos séricos y de la calidad de sus oocitos; incluso se ha observado una ligera influencia negativa en el desarrollo de sus folículos ováricos. Por esta razón, se considera que en las conejas primíparas lactantes el manejo reproductivo extensivo (25 dpp) no presenta ninguna ventaja en comparación con el semi-intensivo (11 dpp). A la vista de los resultados de estos dos experimentos, podemos decir que ni el destete temprano, ni la extensificación del ritmo reproductivo han conseguido una mejora en los parámetros reproductivos de una hembra primípara. Por ello, son necesarios más estudios sobre el estado metabólico de la coneja primípara lactante para conseguir métodos o estrategias que lo mejoren y tengan consecuencias directas sobre la actividad reproductiva y sobre su éxito productivo. The general aim of this Thesis was to study two management methods (early weaning and extensive reproductive rhythm) linked to the energy balance of the primiparous rabbit does to improve their reproductive performance. In this sense, 2 experiments were conducted using this kind of females. In the first experiment, the effect of weaning at 25 days post-partum (dpp) on ovarian activity and energetic metabolism one week later (32 dpp) was studied. A total of 34 primiparous lactating rabbit does were used and distributed among three groups: 10 does euthanized at 25 dpp (group L25), 13 does weaned at 25 dpp and euthanized at 32 dpp (group NL32), and 11 non weaned does euthanized at 32 dpp (group L32). No significant differences were observed in live body weight, ovary weight, serum non esterified fatty acids (NEFA) and total protein concentration among groups. Although NL32 does had a low feed intake (122±23.5 g/Day; P < 0.001), their estimated lipids (16.9±1.09%, P < 0.008), protein (19.7±0.07%, P < 0.0001), and energy (1147±42.7 MJ/kg, P < 0.006) body contents were higher and their serum glucose concentrations (158±24.5 mg/dl, P < 0.04) were lower compared to L25 does (11.9±1.3%, 18.5±0.08%, 942±51.3 MJ/kg and 212±27.9 mg/dl) and L32 does (13.4±1.03%, 18.5±0.1%, 993±40.4 MJ/kg and 259±29.5 mg/dl, respectively). A lower number of follicles ≥1mm was observed compared to NL32 and L32 groups (12.7±1.5 vs. 18.0±1.45 and 17.6 ±1.67; P < 0.05) in the ovarian surface of L25 does. Follicular population in the histological ovarian sections and immunolocalization of prolactin receptor were similar in all groups. In group L25, both nuclear maturation of oocytes in terms of Metaphase II rate (67.0 vs. 79.7 and 78.3%; P < 0.05) and cytoplasmic maturation measured by percentage of cortical granules (CG), totally or partially migrated in oocytes were significantly lower than in groups NL32 and L32 (16.0 vs. 38.3 and 60.0%; P < 0.05). Consequently, a higher rate of oocytes with non-migrated CGs was found in group L25 than in groups NL32 and L32 (76.0 vs. 46.8 and 33.3%; P < 0.05). In conclusion, even though early weaning at 25 dpp seemed to improve body energy stored in primiparous does, this fact was not well reflected on the ovarian status at 32 dpp, which was similar regardless of weaning time. In the second experiment, two reproductive rhythms were compared. A total of 48 primiparous Californian x New Zealand White rabbit does suckling 8 kits were randomly allocated in two experimental groups: a) lactating does euthanized at early post-partum period (11 dpp) according to a semi-intensive rhythm (n = 24), and b) lactating does euthanized on later post-partum period (25 dpp) according to a more extensive rhythm (n = 24). Live weight, estimated body composition, serum metabolic and endocrine parameters (oestradiol and progesterone concentrations) and ovarian features like follicle population and atresia rate, and oocyte maturation were studied. Live weight, body energy content, lipid depots and serum non esterified fatty acids (NEFA) concentrations diminished from parturition time to post-partum period (P < 0.05). In addition, serum protein and glucose concentrations increased along postpartum time (P < 0.05). Similar oestradiol and progesterone levels were shown in rhythms as well as similar follicle population and nuclear and cytoplasmic maturation rates measured as metaphase II and cortical granule migration, respectively in both postpartum times. However, number of preovulatory follicles on the ovarian surface was lower (P < 0.05) and atresia rate tended to be higher with also lower percentage of healthy follicles (P < 0.1) in ovaries of females of extensive group. In conclusion, primiparous non-weaned rabbits does at late post-partum time (25 days), Did no show any improvement regarding body reserves, serum metabolic parameters and oocyte quality; even a slight negative influence has been observed in the development of their ovarian follicles. Thus this reproductive management does not present any advantage compared to earlier post-partum (11 days) reproductive rhythm. In summary, according to the obtained results from these two experiments, we can say that the application of early weaning and the extensive rhythms did not achieve an improvement in the reproductive performance of primiparous does. Thus, it is necessary to conduct more studies about the metabolic status of the primiparous lactating doe to achieve strategies in order to improve it and consequently, to improve the reproductive activity and their productive success.

Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Confined crystallization of nanolayered poly(ethylene terephthalate) using X-ray diffraction methods

The development of crystalline lamellae in ultra-thin layers of poly(ethylene terephthalate) PET confined between polycarbonate (PC) layers in an alternating assembly is investigated as a function of layer thickness by means of X-ray diffraction methods. Isothermal crystallization from the glassy state is in-situ followed by means of small-angle X-ray diffraction. It is found that the reduced size of the PET layers influences the lamellar nanostructure and induces a preferential lamellar orientation. Two lamellar populations, flat-on and edge-on, are found to coexist in a wide range of crystallization temperatures (Tc = 117–150 °C) and within layer thicknesses down to 35 nm. Flat-on lamellae appear at a reduced crystallization rate with respect to bulk PET giving rise to crystals of similar dimensions separated by larger amorphous regions. In addition, a narrower distribution of lamellar orientations develops when the layer thickness is reduced or the crystallization temperature is raised. In case of edge-on lamellae, crystallization conditions also influence the development of lamellar orientation; however, the latter is little affected by the reduced size of the layers. Results suggest that flat-on lamellae arise as a consequence of spatial confinement and edge-on lamellae could be generated due to the interactions with the PC interface. En este trabajo se investiga mediante difracción de rayos X a ángulos bajos (SAXS) y a ángulos altos (WAXS), la cristalización de láminas delgadas de Polietilén tereftalato (PET) confinadas entre láminas de Policarbonato (PC), tomando como referencia PET sin confinar. El espesor de las capas de PET varía entre 35nm y 115 nm. Se realizaron medidas de difracción a tres temperaturas de cristalización (117ºC, 132ºC y 150ºC) encontrándose que el reducido espesor de las capas de PET influye en la estructura lamelar que se desarrolla, induciendo una orientación preferente de las láminas. Se integró la intensidad difractada alrededor del máximo en SAXS para obtener una representación de la intensidad en función del ángulo acimutal. Mediante análisis de mínimos cuadrados se separó la curva experimental obtenida en tres contribuciones diferentes: una función Gausiana que describe la distribución de las orientaciones de las lamelas, una función lorenziana asociada a los máximos meridionales (asociados a las interfases PET-PC) y un background constante. Por otra parte la cantidad de material cristalizado se estimó asumiendo que la intensidad del background en el barrido acimutal, una vez restado el background del primer difractograma (sin máximos en SAXS) se asocia con la contribución del material isotrópico que resta en la muestra cristalizada. Se observa la coexistencia de dos poblaciones de lamelas: flat-on y edge-on. A medida que el espesor de las láminas de PET disminuye la población de las lamelas flat-on experimenta los siguientes cambios: 1) la distribución de orientación se estrecha, 2) la fracción de material cristalizado orientado aumenta, 3) la cinética de cristalización se ralentiza y 4) el largo espaciado aumenta es decir las regiones amorfas entre lamelas aumentan su tamaño. Parece demostrarse que es en las primeras etapas del crecimiento lamelar cuando la restricción espacial fuerza a las lamelas a esta orientación tipo flat-on frente a la orientación edge-on.