Transient heat conduction problems using B.I.E.M

A method, using boundary elements, is presented as a solution to plane transient heat conduction. The proposed method considers the governing equation to be a Helmholtz's equation and solves the problem of time variation using step by step integration. A numerical procedure is developed and its effectiveness verified. Several examples are provided and their results compared with the theoretical ones.

Self-similar motion of laser half-space plasmas. II. Thermal waves and intermediate regimes

The one-dimensional self-similar motion of an initially cold, half-space plasma of electron density n,produced by the (anomalous) absorption of a laser pulse of irradiation

heat conduction and ion-electron energy exchange, involves three dimensionless numbers: e = nc/n0 assumed small, Z, (ion charge number), and a parameter aconvection is negligible) moving into the undisturbed plasma, from a much thinner isothermal flow expanding into the vacuum. For land a very thin transition layer bounding an expansion flow, much larger in extent than the compression region. In both regimes, the critical plane lies far in the expansion tail. The results break down when the density is so small that the plasma becomes collisionless. The analysis is also invalid for a too small. Using results previously found for a>€~4'3, a qualitative discussion of how plasma behavior changes with a, is given.

FTCS finite difference scheme GPGPU parallel computing for the heat conduction equation = Programación en paralelo GPGPU del método en diferencias finitas FTCS para la ecuación del calor

En el presente artículo se muestran las ventajas de la programación en paralelo resolviendo numéricamente la ecuación del calor en dos dimensiones a través del método de diferencias finitas explícito centrado en el espacio FTCS. De las conclusiones de este trabajo se pone de manifiesto la importancia de la programación en paralelo para tratar problemas grandes, en los que se requiere un elevado número de cálculos, para los cuales la programación secuencial resulta impracticable por el elevado tiempo de ejecución. En la primera sección se describe brevemente los conceptos básicos de programación en paralelo. Seguidamente se resume el método de diferencias finitas explícito centrado en el espacio FTCS aplicado a la ecuación parabólica del calor. Seguidamente se describe el problema de condiciones de contorno y valores iniciales específico al que se va a aplicar el método de diferencias finitas FTCS, proporcionando pseudocódigos de una implementación secuencial y dos implementaciones en paralelo. Finalmente tras la discusión de los resultados se presentan algunas conclusiones. In this paper the advantages of parallel computing are shown by solving the heat conduction equation in two dimensions with the forward in time central in space (FTCS) finite difference method. Two different levels of parallelization are consider and compared with traditional serial procedures. We show in this work the importance of parallel computing when dealing with large problems that are impractical or impossible to solve them with a serial computing procedure. In the first section a summary of parallel computing approach is presented. Subsequently, the forward in time central in space (FTCS) finite difference method for the heat conduction equation is outline, describing how the heat flow equation is derived in two dimensions and the particularities of the finite difference numerical technique considered. Then, a specific initial boundary value problem is solved by the FTCS finite difference method and serial and parallel pseudo codes are provided. Finally after results are discussed some conclusions are presented.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Heated fiber optic distributed temperature sensing for measuring soil volumetric heat capacity and water content: A dual probe heat-pulse approach

The first feasibility study of using dual-probe heated fiber optics with distributed temperature sensing to measure soil volumetric heat capacity and soil water content is presented. Although results using different combinations of cables demonstrate feasibility, further work is needed to gain accuracy, including a model to account for the finite dimension and the thermal influence of the probes. Implementation of the dual-probe heat-pulse (DPHP) approach for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with distributed temperature sensing heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring (e.g., simultaneous measurement at thousands of points). We applied uniform heat pulses along a FO cable and monitored the thermal response at adjacent cables. We tested the DPHP method in the laboratory using multiple FO cables at a range of spacings. The amplitude and phase shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity. Estimations of C at a range of moisture contents (θ = 0.09– 0.34 m3 m−3) suggest the feasibility of measurement via responsiveness to the changes in θ, although we observed error with decreasing soil water contents (up to 26% at θ = 0.09 m3 m−3). Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables. Although the results indicate that the method shows great promise, further study is needed to quantify the effects of soil type, cable spacing, and jacket configurations on accuracy.

Self-similar motion of laser half-space plasmas. I. Deflagration regime

The one-dimensional self-similar motion of an initially cold, half-space plasma of electron density 0,produced by the (anomalous) absorption of a laser pulse of irradiation = (j>0f/T(0< (< T) at the critical density nc(«c/«0=eheat conduction and ion-electron energy exchange and retains three dimensionless numbers: e, Zt (ion charge number), and a = (9/c/4m,) (T/C 2n l/4>oKe)213, where k, m, are Boltzmann's constant and the ion mass, and Ke X (electron temperature)5'2 = heat conductivity. If a >e- 4 ' 3 , a deflagration wave separates an isentropic compression with a shock bounding the undisturbed plasma, and an isentropic expansion flow to the vacuum. The structures of these three regions are completely determined; in particular, the Chapman-Jouguet condition is proved and the density behind the deflagration is found. The deflagration-compression thickness ratio is large (small) for a^e- 5 ' 3(a>e- 5 ' 3 ) . The compression to expansion ratio for both energy and thickness is 0(e"2). For Z,- large, a deflagration exists even if a~e~413. Condition a>e~4'3 may be applied to pulses that are not linear.

Optimizing rabbit production under heat stress: cage density and cage size during fattening, and breeding system and water quality on rabbit does

The aim of this work was to evaluate different management strategies to optimize rabbit production under chronic heat stress. To achieve it, three trials were conducted. In the first trial, to find the optimal cage density in tropical very dry forest condition, were measured growth performance, mortality rate, injured animals and carcass performance over an initial population of 300 cross-breed rabbits of New Zealand, California, Butterfly, Dutch and Satin, weaned at 30 days (535 ± 8 g, standard error). Treatments evaluated were: 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2 (3, 6, 9 and 12 rabbits/cage, respectively, each cage of 0.5 m2). The maximal temperature-humidity index indicated a severe heat stress from weaning to 2.2 kg body weight (experimental time). At the end of experimental period 10, 20, 30 and 30 rabbits from the treatments of 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2, respectively, were slaughtered and carcass performance recorded. Average daily gain and feed intake decreased by 0.31 ± 0.070 and 1.20 ± 0.25 g, respectively, per each unit that the density increased at the beginning of the experiment (P = 0.001). It increased the length of the fattening period by 0.91 ± 0.16 d (P = 0.001) per each unit of increment of density. However, rabbit production (kg/m2) increased linear and quadratically with the density (P < 0.008). Animals housed at the highest density compared to the lower one tended to show a higher incidence of ringworm (68.9 vs 39.4%; P = 0.075), injured animals (16.8 vs 3.03%; P = 0.12) and mortality (20.5 vs 9.63%; P = 0.043). The proportion of scapular fat (P = 0.042) increased linearly with increasing levels of density. Increasing density reduced linearly dorsal length (P = 0.001), and reduced linear and quadratically drip loss percentage (P = 0.097 and 0.018, respectively). In the second trial, 46 nulliparous rabbit does (23 clipped and 23 unclipped) with a BW of 3.67 ± 0.05 kg (s.e.) were used to evaluate heat stress and circadian rhythms comparing unclipped and clipped rabbit does, and to study if a more extensive breeding system increase litters performance at weaning without impairing rabbit doe performance,. Rectal temperature, feed and water 4 intake were recorded for 24 h. Rabbit does were mated 7 d after circadian measurements, and randomly assigned to two breeding systems. Control (C): mated at 14 d after parturition + litter weaned at 35 d of age. Extensive (E): mate at 21 after parturition + litter weaned at 42 d of age. The first three cycles were evaluated concerning to rabbit doe and litter performance. Two hundred twenty eight weaned rabbits, were divided into two cage sizes: 0.5 and 0.25 m2 with same density (16 rabbit/m2) and growing performance was recorded. Farm and rectal temperatures were minimal and feed and water intake maximal during the night (P < 0.001). Unclipped rabbit does showed higher rectal temperature (P = 0.045) and lower feed intake respect to clipped does (P = 0.019) which suggest a lower heat stress in the latter. Kits weaned per litter was reduced by 33% (P=0.038) in C group. This reduction was more important in the 2nd and 3rd cycles compared to the first (P ≤ 0.054). Rabbit doe feed efficiency tended to decrease in E respect C group (P = 0.093), whereas it was impaired from the first to the third cycle by 48% (P = 0.014). Growing rabbits from the E group were heavier at weaning (by 38%. P < 0.001), showed a higher feed intake (+7.4%) and lower feed efficiency (-8.4%) throughout the fattening period (P ≤ 0.056) respect to C group. Cage size had minor influence in growing performance. In the third trial, forty five non pregnant and non lactating rabbit does (21 nulliparous and 24 multiparous) were assigned randomly to farm water and to potable water to study if a water quality improvement can affect positively rabbit doe response to heat stress during pregnancy and lactation. A transponder was implanted in each animal to record subcutaneous temperature at 07:30 and 14:30 h. Experimental period extended from pregnancy (with no lactation) to the next lactation (until day 28). Body temperature and milk production were recorded daily, and body condition, feed and water intake weekly. Water quality did not affect any trait (P ≥ 0.15). Pregnant rabbit does were classified as does that weaned (W: 47%), not weaned (NW: 44%) or those pregnant that did not deliver (NB: 9%). Body temperature and feed intake decreased during pregnancy (P ≤ 0.031), but water intake remained constant. In this period body temperature decreased with metabolic weight (P ≤ 0.009). In W and NW does, 5 from mating to birth energy and protein balance impaired (P≤0.011). Body temperature of W does tended to be the lowest (P ≤ 0.090). Pregnancy length and total number of kits born tended to be longer and higher in NW than in W does (P = 0.10 and 0.053, respectively). Kit mortality at birth and from birth to 14 d of lactation was high, being worse for NW than for W does (97 vs. 40%; P<0.001). Body temperature during lactation was maximal at day 12, and milk production increased it (P ≤ 0.025). . In conclusion, in our heat stress conditions densities higher than 18 rabbits/m2 (34 kg/m2) at the end of fattening, are not recommended despite cage size, gestation and lactation productivity impaired not only when lactation is extended and along successive reproductive cycles but also due to a reduced embryo/kit survival and finally water quality improvement did not attenuate negative effect of heat stress. RESUMEN El propósito de éste trabajo fue evaluar diferentes estrategias de manejo para optimizar la producción de conejos bajo estrés térmico. Para lo cual se desarrollaron tres experimentos. En el primer experimento, para encontrar el número óptimo de gazapos por m2 de jaula durante el cebo en condiciones de bosque muy seco tropical, se estudiaron los rendimientos durante el cebo, mortalidad, animales lesionados y rendimiento de la canal sobre una población inicial de 300 conejos mestizos de Nueva Zelanda, California, Mariposa, Holandés y Satin, destetados a los 30 días de edad (535 ± 8g, error estándar). Los tratamientos evaluados fueron: 6, 12, 18 y 24 conejos/m2 (3, 6, 9 y 12 conejos/jaula, respectivamente, en jaulas de 0.5 m2). Durante el período experimental (destete a 2.2 kg de peso vivo), se observaron valores de THI correspondientes con un estrés térmico severo (THI max. De 31 a 35). Al final del período experimental, 10, 20, 30, y 30 conejos de los tratamientos con densidades de 6, 12, 18 y 24 conejos/m2, respectivamente, fueron sacrificados y su canal fue valorada. El promedio de la ganancia diaria y el consumo de alimento disminuyeron en 0.31 ± 0.070 y 1.20 ± 0.25 g, respectivamente, por cada unidad de incremento en la densidad al inicio del experimento (P=0.001). Esto alargó el período de engorde en 0.91 ± 0.16 d (P=0.001) por cada unidad de incremento de la densidad. Sin embargo, la producción de conejos (kg/m2) aumentó lineal y cuadráticamente con la densidad (P<0.008). Los animales alojados en las mayores densidades en comparación con el resto tendieron a mostrar una mayore incidencia de tiña (68.9 vs 39.4%; P=0.075), de cantidad de animales heridos (16.8 vs 3.03%; P=0.12), así como de mortalidad (20.5 vs 9.63%; P=0.043). El aumento en la densidad aumentó linealmente la proporción de grasa escapular (P=0.042) y redujo linealmente la longitud dorsal (P=0.001), y lineal y cuadráticamente el porcentaje de pérdida por goteo (P=0.018). En el segundo experimento, 46 conejas nulliparas (23 rasuradas y 23 no rasuradas) con un peso vivo de 3.67 ± 0.05 kg (e.e.) fueron usadas para evaluar el estrés 8 térmico y los ritmos circadianos comparando conejas rasuradas o no, y estudiar si un sistema de crianza más extensivo mejora el desempeño de la camada al destete sin perjudicar la productividad de la coneja. Durante 24 h se midió la temperatura rectal, consumo de alimento y de agua. Las conejas fueron montadas 7 días después, y distribuidas en dos sistemas de crianza. El control (C): monta a 14 días posparto y destete a 35 d de edad. El extensivo (E): monta a 21 días posparto y destete a 42 d de edad. Se controló la productividad de la coneja y la camada durante los tres primeros ciclos. Doscientos veintiocho gazapos fueron distribuidos en dos tamaños de jaulas (0.5 y 0.25 m2) con la misma densidad (16 conejos/m2) y se controlaron sus rendimientos productivos. Durante la noche se observaron los valores mínimos para la temperatura ambiental y rectal, y los máximos para consumo de alimento y agua (P< 0.001). Las conejas no rasuradas mostraron mayor temperatura rectal (P=0.045) y menores valores de consumo de alimento con respecto a las conejas rasuradas (P=0.019), lo que sugiere un menor estrés térmico en las últimas. El número de gazapos destetados por camada se redujo en 33% (P=0.038) en el grupo C. Este comportamiento se acentuó en el 2do y 3er ciclo en comparación con el primero (P≤0.054). La eficiencia alimenticia de las conejas tendió a disminuir en el grupo E con respecto al grupo C (P=0.093), dicha tendencia se acentúa del primer al tercer ciclo en un 48% (P=0.014). Los gazapos en fase de crecimiento provenientes del grupo E fueron más pesados al momento del destete (en 38% P<0.001), mostrando un mayor consumo de alimento (+7.4%) y menor eficiencia alimenticia (-8.4%) a lo largo del engorde (P≤0.056) con respecto al grupo C. El tamaño de la jaula tuvo una mínima influencia en el comportamiento durante el crecimiento de éstos gazapos. En el tercer experimento, cuarenta y cinco conejas no gestantes ni lactantes (21 nulíparas y 24 multíparas) se les asignó al azar agua dos tipos de agua: común de la granja y agua potable, con el fin de estudiar si una mejora en la calidad del agua puede afectar positivamente la respuesta de la coneja al estrés térmico durante la gestación y la lactancia. Se les implantó un transponder para registrar la temperatura subcutánea a las 7:30 y a las 14:30 h. El período experimental se extendió desde la gestación (sin 9 lactancia) hasta la lactanción consecutiva (hasta los 28 días). La temperatura corporal y la producción de leche se controlaron diariamente, y la condición corporal, consumo de agua y alimento, semanalmente. La calidad del agua no afectó a ninguna variable (P≥0.15). Las conejas preñadas fueron clasificadas como conejas que destetaron (W: 47%), que no destetaron (NW:44%) o aquellas que no parieron (NB: 9%). La temperatura corporal y consumo de alimento disminuyeron durante la gestación (P≤0.031), mientras que el consumo de agua se mantuvo constante. La temperatura corporal descendió con el peso metabólico durante la gestación (P≤0.009). El balance de energía y proteína disminuyó desde la monta al parto para las conejas W y NW (P≤0.011). Durante la gestación la temperatura corporal tendió a ser menor en las conejas W (P≤0.090). La longitud de la gestación y el número total de gazapos nacidos tendieron a ser mayores en conejas NW que en conejas W (P=0.10 y 0.053, respectivamente). La mortalidad de los gazapos al parto y del parto a los 14 días de lactancia fue alta, siendo peor para las conejas NW que para las W (97 vs 40%; P<0.001). Durante la lactancia la temperatura corporal alcanzó su valor máximo para el día 12, y la producción de leche indujo un incremento en la misma (P≤0.025). En conclusión, en nuestras condiciones de estrés térmico y sin importar el tamaño de la jaula, no se recomiendan densidades mayores a 18 conejos/m2 (34 kg/m2) al final del engorde. La productividad de la gestación y la lactancia disminuyen cuando la lactancia es mayor y se suceden varios ciclos reproductivos seguidos. Esto se debe al efecto negativo del estrés térmico sobre la vitalidad y supervivencia del embrión/gazapo. La mejora de la calidad del agua atenuó el efecto negativo del estrés térmico. Las conejas más productoras parece que son aquéllas que consiguen manejar mejor el estrés térmico.

Simulation of Temperatures and Stresses during Construction of a RCC Dam

Se describen las variaciones de temperaturas y de tensiones durante la construcción de presas de hormigón compactado. The curing of concrete is an exothermic process. The heat of hydration generated induces temperature increases in the concrete, which will disappear in the long term by heat conduction in the concrete mass and thermal exchanges with the environment. The problem is of particularly interest for large concrete masses, as is the case of dams, because the time involved in the heat diffusion process grows with the square of the dimensions and a hotter dam interior implies the possibility of cracking the exposed surfaces of the dam. The Cuira dam, currently being built in Venezuela using roller compacted concrete, is a 134 m high, arch-gravity dam. In support of the design, different strategies were analysed, including various combinations of cooling of the water and the aggregate in order to achieve acceptable results. The calculations were conducted with Abaqus, taking into account all the necessary mechanical and thermal characteristics, as well as the relevant non-linearities. The analyses led to the conclusion that no cooling was required, even taking into account the stress state imposed by an early and rapid filling of the reservoir.

Thermal, stress, and traps effects in AlGaN/GaN HEMTs

GaN y AlN son materiales semiconductores piezoeléctricos del grupo III-V. La heterounión AlGaN/GaN presenta una elevada carga de polarización tanto piezoeléctrica como espontánea en la intercara, lo que genera en su cercanía un 2DEG de grandes concentración y movilidad. Este 2DEG produce una muy alta potencia de salida, que a su vez genera una elevada temperatura de red. Las tensiones de puerta y drenador provocan un stress piezoeléctrico inverso, que puede afectar a la carga de polarización piezoeléctrica y así influir la densidad 2DEG y las características de salida. Por tanto, la física del dispositivo es relevante para todos sus aspectos eléctricos, térmicos y mecánicos. En esta tesis se utiliza el software comercial COMSOL, basado en el método de elementos finitos (FEM), para simular el comportamiento integral electro-térmico, electro-mecánico y electro-térmico-mecánico de los HEMTs de GaN. Las partes de acoplamiento incluyen el modelo de deriva y difusión para el transporte electrónico, la conducción térmica y el efecto piezoeléctrico. Mediante simulaciones y algunas caracterizaciones experimentales de los dispositivos, hemos analizado los efectos térmicos, de deformación y de trampas. Se ha estudiado el impacto de la geometría del dispositivo en su auto-calentamiento mediante simulaciones electro-térmicas y algunas caracterizaciones eléctricas. Entre los resultados más sobresalientes, encontramos que para la misma potencia de salida la distancia entre los contactos de puerta y drenador influye en generación de calor en el canal, y así en su temperatura. El diamante posee une elevada conductividad térmica. Integrando el diamante en el dispositivo se puede dispersar el calor producido y así reducir el auto-calentamiento, al respecto de lo cual se han realizado diversas simulaciones electro-térmicas. Si la integración del diamante es en la parte superior del transistor, los factores determinantes para la capacidad disipadora son el espesor de la capa de diamante, su conductividad térmica y su distancia a la fuente de calor. Este procedimiento de disipación superior también puede reducir el impacto de la barrera térmica de intercara entre la capa adaptadora (buffer) y el substrato. La muy reducida conductividad eléctrica del diamante permite que pueda contactar directamente el metal de puerta (muy cercano a la fuente de calor), lo que resulta muy conveniente para reducir el auto-calentamiento del dispositivo con polarización pulsada. Por otra parte se simuló el dispositivo con diamante depositado en surcos atacados sobre el sustrato como caminos de disipación de calor (disipador posterior). Aquí aparece una competencia de factores que influyen en la capacidad de disipación, a saber, el surco atacado contribuye a aumentar la temperatura del dispositivo debido al pequeño tamaño del disipador, mientras que el diamante disminuiría esa temperatura gracias a su elevada conductividad térmica. Por tanto, se precisan capas de diamante relativamente gruesas para reducer ele efecto de auto-calentamiento. Se comparó la simulación de la deformación local en el borde de la puerta del lado cercano al drenador con estructuras de puerta estándar y con field plate, que podrían ser muy relevantes respecto a fallos mecánicos del dispositivo. Otras simulaciones se enfocaron al efecto de la deformación intrínseca de la capa de diamante en el comportamiento eléctrico del dispositivo. Se han comparado los resultados de las simulaciones de la deformación y las características eléctricas de salida con datos experimentales obtenidos por espectroscopía micro-Raman y medidas eléctricas, respectivamente. Los resultados muestran el stress intrínseco en la capa producido por la distribución no uniforme del 2DEG en el canal y la región de acceso. Además de aumentar la potencia de salida del dispositivo, la deformación intrínseca en la capa de diamante podría mejorar la fiabilidad del dispositivo modulando la deformación local en el borde de la puerta del lado del drenador. Finalmente, también se han simulado en este trabajo los efectos de trampas localizados en la superficie, el buffer y la barrera. Las medidas pulsadas muestran que tanto las puertas largas como las grandes separaciones entre los contactos de puerta y drenador aumentan el cociente entre la corriente pulsada frente a la corriente continua (lag ratio), es decir, disminuir el colapse de corriente (current collapse). Este efecto ha sido explicado mediante las simulaciones de los efectos de trampa de superficie. Por su parte, las referidas a trampas en el buffer se enfocaron en los efectos de atrapamiento dinámico, y su impacto en el auto-calentamiento del dispositivo. Se presenta también un modelo que describe el atrapamiento y liberación de trampas en la barrera: mientras que el atrapamiento se debe a un túnel directo del electrón desde el metal de puerta, el desatrapamiento consiste en la emisión del electrón en la banda de conducción mediante túnel asistido por fonones. El modelo también simula la corriente de puerta, debida a la emisión electrónica dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. Además, también se ilustra la corriente de drenador dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. ABSTRACT GaN and AlN are group III-V piezoelectric semiconductor materials. The AlGaN/GaN heterojunction presents large piezoelectric and spontaneous polarization charge at the interface, leading to high 2DEG density close to the interface. A high power output would be obtained due to the high 2DEG density and mobility, which leads to elevated lattice temperature. The gate and drain biases induce converse piezoelectric stress that can influence the piezoelectric polarization charge and further influence the 2DEG density and output characteristics. Therefore, the device physics is relevant to all the electrical, thermal, and mechanical aspects. In this dissertation, by using the commercial finite-element-method (FEM) software COMSOL, we achieved the GaN HEMTs simulation with electro-thermal, electro-mechanical, and electro-thermo-mechanical full coupling. The coupling parts include the drift-diffusion model for the electron transport, the thermal conduction, and the piezoelectric effect. By simulations and some experimental characterizations, we have studied the device thermal, stress, and traps effects described in the following. The device geometry impact on the self-heating was studied by electro-thermal simulations and electrical characterizations. Among the obtained interesting results, we found that, for same power output, the distance between the gate and drain contact can influence distribution of the heat generation in the channel and thus influence the channel temperature. Diamond possesses high thermal conductivity. Integrated diamond with the device can spread the generated heat and thus potentially reduce the device self-heating effect. Electro-thermal simulations on this topic were performed. For the diamond integration on top of the device (top-side heat spreading), the determinant factors for the heat spreading ability are the diamond thickness, its thermal conductivity, and its distance to the heat source. The top-side heat spreading can also reduce the impact of thermal boundary resistance between the buffer and the substrate on the device thermal behavior. The very low electrical conductivity of diamond allows that it can directly contact the gate metal (which is very close to the heat source), being quite convenient to reduce the self-heating for the device under pulsed bias. Also, the diamond coated in vias etched in the substrate as heat spreading path (back-side heat spreading) was simulated. A competing mechanism influences the heat spreading ability, i.e., the etched vias would increase the device temperature due to the reduced heat sink while the coated diamond would decrease the device temperature due to its higher thermal conductivity. Therefore, relative thick coated diamond is needed in order to reduce the self-heating effect. The simulated local stress at the gate edge of the drain side for the device with standard and field plate gate structure were compared, which would be relevant to the device mechanical failure. Other stress simulations focused on the intrinsic stress in the diamond capping layer impact on the device electrical behaviors. The simulated stress and electrical output characteristics were compared to experimental data obtained by micro-Raman spectroscopy and electrical characterization, respectively. Results showed that the intrinsic stress in the capping layer caused the non-uniform distribution of 2DEG in the channel and the access region. Besides the enhancement of the device power output, intrinsic stress in the capping layer can potentially improve the device reliability by modulating the local stress at the gate edge of the drain side. Finally, the surface, buffer, and barrier traps effects were simulated in this work. Pulsed measurements showed that long gates and distances between gate and drain contact can increase the gate lag ratio (decrease the current collapse). This was explained by simulations on the surface traps effect. The simulations on buffer traps effects focused on illustrating the dynamic trapping/detrapping in the buffer and the self-heating impact on the device transient drain current. A model was presented to describe the trapping and detrapping in the barrier. The trapping was the electron direct tunneling from the gate metal while the detrapping was the electron emission into the conduction band described by phonon-assisted tunneling. The reverse gate current was simulated based on this model, whose mechanism can be attributed to the temperature and electric field dependent electron emission in the barrier. Furthermore, the mechanism of the device bias via the self-heating and electric field impact on the electron emission and the transient drain current were also illustrated.

A new boundary condition solved with B.I.E.M.

Among the classical operators of mathematical physics the Laplacian plays an important role due to the number of different situations that can be modelled by it. Because of this a great effort has been made by mathematicians as well as by engineers to master its properties till the point that nearly everything has been said about them from a qualitative viewpoint. Quantitative results have also been obtained through the use of the new numerical techniques sustained by the computer. Finite element methods and boundary techniques have been successfully applied to engineering problems as can be seen in the technical literature (for instance [ l ] , [2], [3] . Boundary techniques are especially advantageous in those cases in which the main interest is concentrated on what is happening at the boundary. This situation is very usual in potential problems due to the properties of harmonic functions. In this paper we intend to show how a boundary condition different from the classical, but physically sound, is introduced without any violence in the discretization frame of the Boundary Integral Equation Method. The idea will be developed in the context of heat conduction in axisymmetric problems but it is hoped that its extension to other situations is straightforward. After the presentation of the method several examples will show the capabilities of modelling a physical problem.

On track for solar grade silicon through a siemens process-type laboratory reactor: operating conditions and energy savings

Polysilicon cost impacts significantly on the photovoltaics (PV) cost and on the energy payback time. Nowadays, the besetting production process is the so called Siemens process, polysilicon deposition by chemical vapor deposition (CVD) from Trichlorosilane. Polysilicon purification level for PV is to a certain extent less demanding that for microelectronics. At the Instituto de Energía Solar (IES) research on this subject is performed through a Siemens process-type laboratory reactor. Through the laboratory CVD prototype at the IES laboratories, valuable information about the phenomena involved in the polysilicon deposition process and the operating conditions is obtained. Polysilicon deposition by CVD is a complex process due to the big number of parameters involved. A study on the influence of temperature and inlet gas mixture composition on the polysilicon deposition growth rate, based on experimental experience, is shown. Moreover, CVD process accounts for the largest contribution to the energy consumption of the polysilicon production. In addition, radiation phenomenon is the major responsible for low energetic efficiency of the whole process. This work presents a model of radiation heat loss, and the theoretical calculations are confirmed experimentally through a prototype reactor at our disposal, yielding a valuable know-how for energy consumption reduction at industrial Siemens reactors.

Self-similar motion of laser fusion plasmas. Absorption in an unbounded plasma

The one-dimensional motion generated in a cold, infinite, uniform plasma of density na by the absorption, in a certain plane, of a linear pulse of energy per unit time and area = 4>0t/r, 0< t< r, is considered, the analysis allows for thermal conduction and viscosity of ions and electrons, their energy exchange, and an electron heat flux limiter The resulting motion is self-similar and governed by a single nondimensional parameter a«(n0 2T/0)2/3 Detailed asymptotic results are obtained for both a < l and a > l , the general behavior of the solution for arbitrary a is discussed The analysis can be extended to the case of a plasma initially occupying a half-space, and throws light on how to optimize the hydrodynamics of laser fusion plasmas Known approximate results corresponding to motion of a plasma submitted to constant irradiation (<()) are recovered in the present work under appropriate limiting processes

Transition from isentropic to isothermal expansion in laser produced plasma

The transition that the expansion flow of laser-produced plasmas experiences when one moves from long, low intensity pulses (temperature vanishing at the isentropic plasma-vacuum front,lying at finite distance) to short, intense ones (non-zero, uniform temperature at the plasma-vacuum front, lying at infinity) is studied. For plznar geometry and lqge ion number Z, the transition occurs for dq5/dt=0.14(27/8)k712Z’1zn$/m4f, 12nK,,; mi, and K are laser intensity, critical density,ion mass, and Spitzer’s heat conduction coefficient. This result remains valid for finite Zit,h ough the numerical factor in d$/dt is different. Shorter wavelength lasers and higher 4 plasmas allow faster rising pulses below transition.

Transport and mixing enhancement in fluid-thermal microsystems

En esta tesis se investiga de forma experimental el transporte pasivo de magnitudes físicas en micro-sistemas con carácter de inmediata aplicación industrial, usando métodos innovadores para mejorar la eficiencia de los mismos optimizando parámetros críticos del diseño o encontrar nuevos destinos de posible aplicación. Parte de los resultados obtenidos en estos experimentos han sido publicados en revistas con un índice de impacto tal que pertenecen al primer cuarto del JCR. Primero de todo se ha analizado el efecto que produce en un intercambiador de calor basado en micro-canales el hecho de dejar un espacio entre canales y tapa superior para la interconexión de los mismos. Esto genera efectos tridimensionales que mejoran la exracción de calor del intercambiador y reducen la caída de presión que aparece por el transcurso del fluido a través de los micro-canales, lo que tiene un gran impacto en la potencia que ha de suministrar la bomba de refrigerante. Se ha analizado también la mejora producida en términos de calor disipado de un micro-procesador refrigerado con un ampliamente usado plato de aletas al implementar en éste una cámara de vapor que almacena un fluido bifásico. Se ha desarrollado de forma paralela un modelo numérico para optimizar las nuevas dimensiones del plato de aletas modificado compatibles con una serie de requerimientos de diseño en el que tanto las dimensiones como el peso juegan un papel esencial. Por otro lado, se han estudiado los fenomenos fluido-dinámicos que aparecen aguas abajo de un cuerpo romo en el seno de un fluido fluyendo por un canal con una alta relación de bloqueo. Los resultados de este estudio confirman, de forma experimental, la existencia de un régimen intermedio, caracterizado por el desarrollo de una burbuja de recirculación oscilante entre los regímenes, bien diferenciados, de burbuja de recirculación estacionaria y calle de torbellinos de Karman, como función del número de Reynolds del flujo incidente. Para la obtención, análisis y post-proceso de los datos, se ha contado con la ayuda de un sistema de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). Finalmente y como adición a este último punto, se ha estudiado las vibraciones de un cuerpo romo producidas por el desprendimiento de torbellinos en un canal de alta relación de bloqueo con la base obtenida del estudio anterior. El prisma se mueve con un movimiento armónico simple para un intervalo de números de Reynolds y este movimiento se transforma en vibración alrededor de su eje a partir de un ciero número de Reynolds. En relación al fluido, el régimen de desprendimiento de torbellinos se alcanza a menores números de Reynolds que en el caso de tener el cuerpo romo fijo. Uniendo estos dos registros de movimientos y variando la relación de masas entre prisma y fluido se obtiene un mapa con diferentes estados globales del sistema. Esto no solo tiene aplicación como método para promover el mezclado sino también como método para obtener energía a partir del movimiento del cuerpo en el seno del fluido. Abstract In this thesis, experimental research focused on passive scalar transport is performed in micro-systems with marked sense of industrial application, using innovative methods in order to obtain better performances optimizing critical design parameters or finding new utilities. Part of the results obtained in these experiments have been published into high impact factor journals belonged to the first quarter of the Journal Citation Reports (JCR). First of all the effect of tip clearance in a micro-channel based heat sink is analyzed. Leaving a gap between channels and top cover, letting the channels communicate each other causes three-dimensional effects which improve the heat transfer between fluid and heat sink and also reducing the pressure drop caused by the fluid passing through the micro-channels which has a great impact on the total cooling pumping power needed. It is also analyzed the enhancement produced in terms of dissipated heat in a micro-processor cooling system by improving the predominantly used fin plate with a vapour chamber based heat spreader which contains a two-phase fluid inside. It has also been developed at the same time a numerical model to optimize the new fin plate dimensions compatible with a series of design requirements in which both size and wight plays a very restrictive role. On the other hand, fluid-dynamics phenomena that appears downstream of a bluff body in the bosom of a fluid flow with high blockage ratio has been studied. This research experimentally confirms the existence of an intermediate regime characterized by an oscillating closed recirculation bubble intermediate regime between the steady closed recirculation bubble regime and the vortex shedding regime (Karman street like regime) as a function of the incoming flow Reynolds number. A particle image velocimetry technique (PIV) has been used in order to obtain, analyze and post-process the fluid-dynamic data. Finally and as an addition to the last point, a study on the vortexinduced vibrations (VIV) of a bluff body inside a high blockage ratio channel has been carried out taking advantage of the results obtained with the fixed square prism. The prism moves with simple harmonic motion for a Reynolds number interval and this movement becomes vibrational around its axial axis after overcoming at definite Reynolds number. Regarding the fluid, vortex shedding regime is reached at Reynolds numbers lower than the previous critical ones. Merging both movement spectra and varying the square prism to fluid mass ratio, a map with different global states is reached. This is not only applicable as a mixing enhancement technique but as an energy harvesting method.