Use of calculus of variations to determine the shape of hovering rotors of minimum power and its application to micro air vehicles

In this paper, calculus of variations and combined blade element and momentum theory (BEMT) are used to demonstrate that, in hover, when neither root nor tip losses are considered; the rotor, which minimizes the total power (MPR), generates an induced velocity that varies linearly along the blade span. The angle of attack of every blade element is constant and equal to its optimum value. The traditional ideal twist (ITR) and optimum (OR) rotors are revisited in the context of this variational framework. Two more optimum rotors are obtained considering root and tip losses, the ORL, and the MPRL. A comparison between these five rotors is presented and discussed. The MPR and MPRL present a remarkable saving of power for low values of both thrust coefficient and maximum aerodynamic efficiency. The result obtained can be exploited to improve the aerodynamic behaviour of rotary wing micro air vehicles (MAV). A comparison with experimental results obtained from the literature is presented.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Properties and applications of high electron density structures based on InN and related compounds

El objetivo principal del presente trabajo es estudiar y explotar estructuras que presentan un gas bidimensional de electrones (2DEG) basadas en compuestos nitruros con alto contenido de indio. Existen muchas preguntas abiertas, relacionadas con el nitruro de indio y sus aleaciones, algunas de las cuales se han abordado en este estudio. En particular, se han investigado temas relacionados con el análisis y la tecnología del material, tanto para el InN y heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN como para sus aplicaciones a dispositivos avanzados. Después de un análisis de la dependencia de las propiedades del InN con respecto a tratamientos de procesado de dispositivos (plasma y térmicos), el problema relacionado con la formación de un contacto rectificador es considerado. Concretamente, su dificultad es debida a la presencia de acumulación de electrones superficiales en la forma de un gas bidimensional de electrones, debido al pinning del nivel de Fermi. El uso de métodos electroquímicos, comparados con técnicas propias de la microelectrónica, ha ayudado para la realización de esta tarea. En particular, se ha conseguido lamodulación de la acumulación de electrones con éxito. En heteroestructuras como InAl(Ga)N/GaN, el gas bidimensional está presente en la intercara entre GaN y InAl(Ga)N, aunque no haya polarización externa (estructuras modo on). La tecnología relacionada con la fabricación de transistores de alta movilidad en modo off (E-mode) es investigada. Se utiliza un método de ataque húmedo mediante una solución de contenido alcalino, estudiando las modificaciones estructurales que sufre la barrera. En este sentido, la necesidad de un control preciso sobre el material atacado es fundamental para obtener una estructura recessed para aplicaciones a transistores, con densidad de defectos e inhomogeneidad mínimos. La dependencia de la velocidad de ataque de las propiedades de las muestras antes del tratamiento es observada y comentada. Se presentan también investigaciones relacionadas con las propiedades básicas del InN. Gracias al uso de una puerta a través de un electrolito, el desplazamiento de los picos obtenidos por espectroscopia Raman es correlacionado con una variación de la densidad de electrones superficiales. En lo que concierne la aplicación a dispositivos, debido al estado de la tecnología actual y a la calidad del material InN, todavía no apto para dispositivos, la tesis se enfoca a la aplicación de heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN. Gracias a las ventajas de una barrera muy fina, comparada con la tecnología de AlGaN/GaN, el uso de esta estructura es adecuado para aplicaciones que requieren una elevada sensibilidad, estando el canal 2DEG más cerca de la superficie. De hecho, la sensibilidad obtenida en sensores de pH es comparable al estado del arte en términos de variaciones de potencial superficial, y, debido al poco espesor de la barrera, la variación de la corriente con el pH puede ser medida sin necesidad de un electrodo de referencia externo. Además, estructuras fotoconductivas basadas en un gas bidimensional presentan alta ganancia debida al elevado campo eléctrico en la intercara, que induce una elevada fuerza de separación entre hueco y electrón generados por absorción de luz. El uso de metalizaciones de tipo Schottky (fotodiodos Schottky y metal-semiconductormetal) reduce la corriente de oscuridad, en comparación con los fotoconductores. Además, la barrera delgada aumenta la eficiencia de extracción de los portadores. En consecuencia, se obtiene ganancia en todos los dispositivos analizados basados en heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN. Aunque presentando fotoconductividad persistente (PPC), los dispositivos resultan más rápidos con respeto a los valores que se dan en la literatura acerca de PPC en sistemas fotoconductivos. ABSTRACT The main objective of the present work is to study and exploit the two-dimensionalelectron- gas (2DEG) structures based on In-related nitride compounds. Many open questions are analyzed. In particular, technology and material-related topics are the focus of interest regarding both InNmaterial and InAl(Ga)N/GaNheterostructures (HSs) as well as their application to advanced devices. After the analysis of the dependence of InN properties on processing treatments (plasma-based and thermal), the problemof electrical blocking behaviour is taken into consideration. In particular its difficulty is due to the presence of a surface electron accumulation (SEA) in the form of a 2DEG, due to Fermi level pinning. The use of electrochemical methods, compared to standard microelectronic techniques, helped in the successful realization of this task. In particular, reversible modulation of SEA is accomplished. In heterostructures such as InAl(Ga)N/GaN, the 2DEGis present at the interface between GaN and InAl(Ga)N even without an external bias (normally-on structures). The technology related to the fabrication of normally off (E-mode) high-electron-mobility transistors (HEMTs) is investigated in heterostructures. An alkali-based wet-etching method is analysed, standing out the structural modifications the barrier underwent. The need of a precise control of the etched material is crucial, in this sense, to obtain a recessed structure for HEMT application with the lowest defect density and inhomogeneity. The dependence of the etch rate on the as-grown properties is observed and commented. Fundamental investigation related to InNis presented, related to the physics of this degeneratematerial. With the help of electrolyte gating (EG), the shift in Raman peaks is correlated to a variation in surface eletron density. As far as the application to device is concerned, due to the actual state of the technology and material quality of InN, not suitable for working devices yet, the focus is directed to the applications of InAl(Ga)N/GaN HSs. Due to the advantages of a very thin barrier layer, compared to standard AlGaN/GaN technology, the use of this structure is suitable for high sensitivity applications being the 2DEG channel closer to the surface. In fact, pH sensitivity obtained is comparable to the state-of-the-art in terms of surface potential variations, and, due to the ultrathin barrier, the current variation with pH can be recorded with no need of the external reference electrode. Moreover, 2DEG photoconductive structures present a high photoconductive gain duemostly to the high electric field at the interface,and hence a high separation strength of photogenerated electron and hole. The use of Schottky metallizations (Schottky photodiode and metal-semiconductor-metal) reduce the dark current, compared to photoconduction, and the thin barrier helps to increase the extraction efficiency. Gain is obtained in all the device structures investigated. The devices, even if they present persistent photoconductivity (PPC), resulted faster than the standard PPC related decay values.

Remote sensing of LAI, chlorophyll and leaf nitrogen pools of crop- and grasslands in five European landscapes.

Leaf nitrogen and leaf surface area influence the exchange of gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere, and play a significant role in the global cycles of carbon, nitrogen and water. The purpose of this study is to use field-based and satellite remote-sensing-based methods to assess leaf nitrogen pools in five diverse European agricultural landscapes located in Denmark, Scotland (United Kingdom), Poland, the Netherlands and Italy. REGFLEC (REGularized canopy reFLECtance) is an advanced image-based inverse canopy radiative transfer modelling system which has shown proficiency for regional mapping of leaf area index (LAI) and leaf chlorophyll (CHLl) using remote sensing data. In this study, high spatial resolution (10–20 m) remote sensing images acquired from the multispectral sensors aboard the SPOT (Satellite For Observation of Earth) satellites were used to assess the capability of REGFLEC for mapping spatial variations in LAI, CHLland the relation to leaf nitrogen (Nl) data in five diverse European agricultural landscapes. REGFLEC is based on physical laws and includes an automatic model parameterization scheme which makes the tool independent of field data for model calibration. In this study, REGFLEC performance was evaluated using LAI measurements and non-destructive measurements (using a SPAD meter) of leaf-scale CHLl and Nl concentrations in 93 fields representing crop- and grasslands of the five landscapes. Furthermore, empirical relationships between field measurements (LAI, CHLl and Nl and five spectral vegetation indices (the Normalized Difference Vegetation Index, the Simple Ratio, the Enhanced Vegetation Index-2, the Green Normalized Difference Vegetation Index, and the green chlorophyll index) were used to assess field data coherence and to serve as a comparison basis for assessing REGFLEC model performance. The field measurements showed strong vertical CHLl gradient profiles in 26% of fields which affected REGFLEC performance as well as the relationships between spectral vegetation indices (SVIs) and field measurements. When the range of surface types increased, the REGFLEC results were in better agreement with field data than the empirical SVI regression models. Selecting only homogeneous canopies with uniform CHLl distributions as reference data for evaluation, REGFLEC was able to explain 69% of LAI observations (rmse = 0.76), 46% of measured canopy chlorophyll contents (rmse = 719 mg m−2) and 51% of measured canopy nitrogen contents (rmse = 2.7 g m−2). Better results were obtained for individual landscapes, except for Italy, where REGFLEC performed poorly due to a lack of dense vegetation canopies at the time of satellite recording. Presence of vegetation is needed to parameterize the REGFLEC model. Combining REGFLEC- and SVI-based model results to minimize errors for a "snap-shot" assessment of total leaf nitrogen pools in the five landscapes, results varied from 0.6 to 4.0 t km−2. Differences in leaf nitrogen pools between landscapes are attributed to seasonal variations, extents of agricultural area, species variations, and spatial variations in nutrient availability. In order to facilitate a substantial assessment of variations in Nl pools and their relation to landscape based nitrogen and carbon cycling processes, time series of satellite data are needed. The upcoming Sentinel-2 satellite mission will provide new multiple narrowband data opportunities at high spatio-temporal resolution which are expected to further improve remote sensing capabilities for mapping LAI, CHLl and Nl.

Characteristic study, its identification and self-tuned approach to control hydro-power plants

The water time constant and mechanical time constant greatly influences the power and speed oscillations of hydro-turbine-generator unit. This paper discusses the turbine power transients in response to different nature and changes in the gate position. The work presented here analyses the characteristics of hydraulic system with an emphasis on changes in the above time constants. The simulation study is based on mathematical first-, second-, third- and fourth-order transfer function models. The study is further extended to identify discrete time-domain models and their characteristic representation without noise and with noise content of 10 & 20 dB signal-to-noise ratio (SNR). The use of self-tuned control approach in minimising the speed deviation under plant parameter changes and disturbances is also discussed.

Drifting plasma collection by a positive biased tether wire in LEO-like plasma conditions: current measurement and plasma diagnostic

BETs is a three-year project financed by the Space Program of the European Commission, aimed at developing an efficient deorbit system that could be carried on board any future satellite launched into Low Earth Orbit (LEO). The operational system involves a conductive tape-tether left bare to establish anodic contact with the ambient plasma as a giant Langmuir probe. As a part of this project, we are carrying out both numerical and experimental approaches to estimate the collected current by the positive part of the tether. This paper deals with experimental measurements performed in the IONospheric Atmosphere Simulator (JONAS) plasma chamber of the Onera-Space Environment Department. The JONAS facility is a 9- m3 vacuum chamber equipped with a plasma source providing drifting plasma simulating LEO conditions in terms of density and temperature. A thin metallic cylinder, simulating the tether, is set inside the chamber and polarized up to 1000 V. The Earth's magnetic field is neutralized inside the chamber. In a first time, tether collected current versus tether polarization is measured for different plasma source energies and densities. In complement, several types of Langmuir probes are used at the same location to allow the extraction of both ion densities and electron parameters by computer modeling (classical Langmuir probe characteristics are not accurate enough in the present situation). These two measurements permit estimation of the discrepancies between the theoretical collection laws, orbital motion limited law in particular, and the experimental data in LEO-like conditions without magnetic fields. In a second time, the spatial variations and the time evolutions of the plasma properties around the tether are investigated. Spherical and emissive Langmuir probes are also used for a more extensive characterization of the plasma in space and time dependent analysis. Results show the ion depletion because of the wake effect and the accumulation of- ions upstream of the tether. In some regimes (at large positive potential), oscillations are observed on the tether collected current and on Langmuir probe collected current in specific sites.

Correction of the Colour Variations under Uncontrolled Lighting Conditions

Esta tesis trata sobre métodos de corrección que compensan la variación de las condiciones de iluminación en aplicaciones de imagen y video a color. Estas variaciones hacen que a menudo fallen aquellos algoritmos de visión artificial que utilizan características de color para describir los objetos. Se formulan tres preguntas de investigación que definen el marco de trabajo de esta tesis. La primera cuestión aborda las similitudes que se dan entre las imágenes de superficies adyacentes en relación a su comportamiento fotométrico. En base al análisis del modelo de formación de imágenes en situaciones dinámicas, esta tesis propone un modelo capaz de predecir las variaciones de color de la región de una determinada imagen a partir de las variaciones de las regiones colindantes. Dicho modelo se denomina Quotient Relational Model of Regions. Este modelo es válido cuando: las fuentes de luz iluminan todas las superficies incluídas en él; estas superficies están próximas entre sí y tienen orientaciones similares; y cuando son en su mayoría lambertianas. Bajo ciertas circunstancias, la respuesta fotométrica de una región se puede relacionar con el resto mediante una combinación lineal. No se ha podido encontrar en la literatura científica ningún trabajo previo que proponga este tipo de modelo relacional. La segunda cuestión va un paso más allá y se pregunta si estas similitudes se pueden utilizar para corregir variaciones fotométricas desconocidas en una región también desconocida, a partir de regiones conocidas adyacentes. Para ello, se propone un método llamado Linear Correction Mapping capaz de dar una respuesta afirmativa a esta cuestión bajo las circunstancias caracterizadas previamente. Para calcular los parámetros del modelo se requiere una etapa de entrenamiento previo. El método, que inicialmente funciona para una sola cámara, se amplía para funcionar en arquitecturas con varias cámaras sin solape entre sus campos visuales. Para ello, tan solo se necesitan varias muestras de imágenes del mismo objeto capturadas por todas las cámaras. Además, este método tiene en cuenta tanto las variaciones de iluminación, como los cambios en los parámetros de exposición de las cámaras. Todos los métodos de corrección de imagen fallan cuando la imagen del objeto que tiene que ser corregido está sobreexpuesta o cuando su relación señal a ruido es muy baja. Así, la tercera cuestión se refiere a si se puede establecer un proceso de control de la adquisición que permita obtener una exposición óptima cuando las condiciones de iluminación no están controladas. De este modo, se propone un método denominado Camera Exposure Control capaz de mantener una exposición adecuada siempre y cuando las variaciones de iluminación puedan recogerse dentro del margen dinámico de la cámara. Los métodos propuestos se evaluaron individualmente. La metodología llevada a cabo en los experimentos consistió en, primero, seleccionar algunos escenarios que cubrieran situaciones representativas donde los métodos fueran válidos teóricamente. El Linear Correction Mapping fue validado en tres aplicaciones de re-identificación de objetos (vehículos, caras y personas) que utilizaban como caracterísiticas la distribución de color de éstos. Por otra parte, el Camera Exposure Control se probó en un parking al aire libre. Además de esto, se definieron varios indicadores que permitieron comparar objetivamente los resultados de los métodos propuestos con otros métodos relevantes de corrección y auto exposición referidos en el estado del arte. Los resultados de la evaluación demostraron que los métodos propuestos mejoran los métodos comparados en la mayoría de las situaciones. Basándose en los resultados obtenidos, se puede decir que las respuestas a las preguntas de investigación planteadas son afirmativas, aunque en circunstancias limitadas. Esto quiere decir que, las hipótesis planteadas respecto a la predicción, la corrección basada en ésta y la auto exposición, son factibles en aquellas situaciones identificadas a lo largo de la tesis pero que, sin embargo, no se puede garantizar que se cumplan de manera general. Por otra parte, se señalan como trabajo de investigación futuro algunas cuestiones nuevas y retos científicos que aparecen a partir del trabajo presentado en esta tesis. ABSTRACT This thesis discusses the correction methods used to compensate the variation of lighting conditions in colour image and video applications. These variations are such that Computer Vision algorithms that use colour features to describe objects mostly fail. Three research questions are formulated that define the framework of the thesis. The first question addresses the similarities of the photometric behaviour between images of dissimilar adjacent surfaces. Based on the analysis of the image formation model in dynamic situations, this thesis proposes a model that predicts the colour variations of the region of an image from the variations of the surrounded regions. This proposed model is called the Quotient Relational Model of Regions. This model is valid when the light sources illuminate all of the surfaces included in the model; these surfaces are placed close each other, have similar orientations, and are primarily Lambertian. Under certain circumstances, a linear combination is established between the photometric responses of the regions. Previous work that proposed such a relational model was not found in the scientific literature. The second question examines whether those similarities could be used to correct the unknown photometric variations in an unknown region from the known adjacent regions. A method is proposed, called Linear Correction Mapping, which is capable of providing an affirmative answer under the circumstances previously characterised. A training stage is required to determine the parameters of the model. The method for single camera scenarios is extended to cover non-overlapping multi-camera architectures. To this extent, only several image samples of the same object acquired by all of the cameras are required. Furthermore, both the light variations and the changes in the camera exposure settings are covered by correction mapping. Every image correction method is unsuccessful when the image of the object to be corrected is overexposed or the signal-to-noise ratio is very low. Thus, the third question refers to the control of the acquisition process to obtain an optimal exposure in uncontrolled light conditions. A Camera Exposure Control method is proposed that is capable of holding a suitable exposure provided that the light variations can be collected within the dynamic range of the camera. Each one of the proposed methods was evaluated individually. The methodology of the experiments consisted of first selecting some scenarios that cover the representative situations for which the methods are theoretically valid. Linear Correction Mapping was validated using three object re-identification applications (vehicles, faces and persons) based on the object colour distributions. Camera Exposure Control was proved in an outdoor parking scenario. In addition, several performance indicators were defined to objectively compare the results with other relevant state of the art correction and auto-exposure methods. The results of the evaluation demonstrated that the proposed methods outperform the compared ones in the most situations. Based on the obtained results, the answers to the above-described research questions are affirmative in limited circumstances, that is, the hypothesis of the forecasting, the correction based on it, and the auto exposure are feasible in the situations identified in the thesis, although they cannot be guaranteed in general. Furthermore, the presented work raises new questions and scientific challenges, which are highlighted as future research work.

Electron transport and azimuthal oscillations in hall thrusters

The Hall Effect Thruster (HET) is a type of satellite electric propulsion device initially developed in the 1960’s independently by USA and the former USSR. The development continued in the shadow during the 1970’s in the Soviet Union to reach a mature status from the technological point of view in the 1980’s. In the 1990’s the advanced state of this Russian technology became known in western countries, which rapidly restarted the analysis and development of modern Hall thrusters. Currently, there are several companies in USA, Russia and Europe manufacturing Hall thrusters for operational use. The main applications of these thrusters are low-thrust propulsion of interplanetary probes, orbital raising of satellites and stationkeeping of geostationary satellites. However, despite the well proven in-flight experience, the physics of the Hall Thruster are not completely understood yet. Over the last two decades large efforts have been dedicated to the understanding of the physics of Hall Effect thrusters. However, the so-called anomalous diffusion, short name for an excessive electron conductivity along the thruster, is not yet fully understood as it cannot be explained with classical collisional theories. One commonly accepted explanation is the existence of azimuthal oscillations with correlated plasma density and electric field fluctuations. In fact, there is experimental evidence of the presence of an azimuthal oscillation in the low frequency range (a few kHz). This oscillation, usually called spoke, was first detected empirically by Janes and Lowder in the 1960s. More recently several experiments have shown the existence of this type of oscillation in various modern Hall thrusters. Given the frequency range, it is likely that the ionization is the cause of the spoke oscillation, like for the breathing mode oscillation. In the high frequency range (a few MHz), electron-drift azimuthal oscillations have been detected in recent experiments, in line with the oscillations measured by Esipchuk and Tilinin in the 1970’s. Even though these low and high frequency azimuthal oscillations have been known for quite some time already, the physics behind them are not yet clear and their possible relation with the anomalous diffusion process remains an unknown. This work aims at analysing from a theoretical point of view and via computer simulations the possible relation between the azimuthal oscillations and the anomalous electron transport in HET. In order to achieve this main objective, two approaches are considered: local linear stability analyses and global linear stability analyses. The use of local linear stability analyses shall allow identifying the dominant terms in the promotion of the oscillations. However, these analyses do not take into account properly the axial variation of the plasma properties along the thruster. On the other hand, global linear stability analyses do account for these axial variations and shall allow determining how the azimuthal oscillations are promoted and their possible relation with the electron transport.

Natural regeneration in mediterranean mixed forests: effect of environmental conditions on the physiological optimum niche of the species = Regeneración natural en masas mixtas mediterráneas: efecto de las condiciones ambientales en el nicho óptimo fisiológico de las especies

Los montes Mediterráneos han experimentado múltiples cambios en las últimas décadas (tanto en clima como en usos), lo que ha conducido a variaciones en la distribución de especies. El aumento previsto de las temperaturas medias junto con la mayor variabilidad intra e inter anual en cuanto a la ocurrencia de eventos extremos o disturbios naturales (como periodos prolongados de sequía, olas de frío o calor, incendios forestales o vendavales) pueden dañar significativamente al regenerado, llevándolo hasta la muerte, y jugando un papel decisivo en la composición de especies y en la dinámica del monte. La amplitud ecológica de muchas especies forestales puede verse afectada, de forma que se esperan cambios en sus nichos actuales de regeneración. Sin embargo, la migración latitudinal de las especies en busca de mejores condiciones, podría ser una explicación demasiado simplista de un proceso mucho más complejo de interacción entre la temperatura y la precipitación, que afectaría a cada especie de un modo distinto. En este sentido tanto la capacidad de adaptación al estrés ambiental de una determinada especie, así como su habilidad para competir por los recursos limitados, podría significar variaciones dentro de una comunidad. Las características fisiológicas y morfológicas propias de cada especie se encuentran fuertemente relacionadas con el lugar donde cada una puede surgir, qué especies pueden convivir y como éstas responden a las condiciones ambientales. En este sentido, el conocimiento sobre las distintas respuestas ecofisiológicas observadas ante cambios ambientales puede ser fundamentales para la predicción de variaciones en la distribución de especies, composición de la comunidad y productividad del monte ante el cambio global. En esta tesis investigamos el grado de tolerancia y sensibilidad que cada una de las tres especies de estudio, coexistentes en el interior peninsular ibérico (Pinus pinea, Quercus ilex y Juniperus oxycedrus), muestra ante los factores abióticos de estrés típicos de la región Mediterránea. Nuestro trabajo se ha basado en la definición del nicho óptimo fisiológico para el regenerado de cada especie a través de la investigación en profundidad del efecto de la sequía, la temperatura y el ambiente lumínico. Para ello, hemos desarrollado un modelo de predicción de la tasa de asimilación de carbono que nos ha permitido identificar las condiciones óptimas ambientales donde el regenerado de cada especie podría establecerse con mayor facilidad. En apoyo a este trabajo y con la idea de estudiar el efecto de la sequía a nivel de toda la planta hemos desarrollado un experimento paralelo en invernadero. Aquí se han aplicado dos regímenes hídricos para estudiar las características fisiológicas y morfológicas de cada especie, sobre todo a nivel de raíz y crecimiento del tallo, y relacionarlas con las diferentes estrategias en el uso del agua de las especies. Por último, hemos estudiado los patrones de aclimatación y desaclimatación al frio de cada especie, identificando los periodos de sensibilidad a heladas, así como cuellos de botella donde la competencia entre especies podría surgir. A pesar de que el pino piñonero ha sido la especie objeto de la gestión de estas masas durante siglos, actualmente se encuentra en la posición más desfavorable para combatir el cambio global, presentado el nicho fisiológico más estrecho de las tres especies. La encina sin embargo, ha resultado ser la especie mejor cualificada para afrontar este cambio, seguida muy de cerca por el enebro. Nuestros resultados sugieren una posible expansión en el rango de distribución de la encina, un aumento en la presencia del enebro y una disminución progresiva del pino piñonero a medio plazo en estas masas. ABSTRACT Mediterranean forests have undergone multiple changes over the last decades (in both climate and land use), which have lead to variations in the distribution of species. The expected increase in mean annual temperature together with the greater inter and intra-annual variability in extreme events and disturbances occurrence (such as prolonged drought periods, cold or heat waves, wildfires or strong winds) can significantly damage natural regeneration, up to causing death, playing a decisive role on species composition and forest dynamics. The ecological amplitude for adaptation of many species can be affected in such a way that changes in the current regeneration niches of many species are expected. However, the forecasted poleward migration of species seeking better conditions could be an oversimplification of what is a more complex phenomenon of interactions among temperature and precipitation, that would affect different species in different ways. In this regard, either the ability to adapt to environmental stresses or to compete for limited resources of a single species in a mixed forest could lead to variations within a community. The ecophysiological and morphological traits specific to each species are strongly related to the place where each species can emerge, which species can coexist, and how they respond to environmental conditions. In this regard, the understanding of the ecophysiological responses observed against changes in environmental conditions can be essential for predicting variations in species distribution, community composition, and forest productivity in the context of global change. In this thesis we investigated the degree of tolerance and sensitivity that each of the three studied species, co-occurring in central of the Iberian Peninsula (Pinus pinea, Quercus ilex and Juniperus oxycedrus), show against the typical abiotic stress factors in the Mediterranean region. Our work is based on the optimal physiological niche for regeneration of each species through in-depth research on the effect of drought, temperature and light environment. For this purpose, we developed a model to predict the carbon assimilation rate which allows us to identify the optimal environmental conditions where regeneration from each species could establish itself more easily. To obtain a better understanding about the effect of low temperature on regeneration, we studied the acclimation and deacclimation patterns to cold of each species, identifying period of frost sensitivity, as well as bottlenecks where competition between species can arise. Finally, to support our results about the effect of water availabilty, we conducted a greenhouse experiment with a view of studying the drought effect at the whole plant level. Here, two watering regimes were applied in order to study the physiological and morphological traits of each species, mainly at the level of the root system and stem growth, and so relate them to the different water use strategies of the species. Despite the fact that stone pine has been the target species for centuries, nowadays this species is in the most unfavorable position to cope with climate change. Holm oak, however, resulted the species that is best adapted to tolerate the predicted changes, followed closely by prickly juniper. Our results suggest a feasible expansion of the distribution range in holm oak, an increase in the prickly juniper presence and a progressive decreasing of stone pine presence in the medium term in these stone pine-holm oak-prickly juniper mixed forests.

A simplified energy consumption model for fiber-based Next Generation Access Networks

ICTs account nowadays for 2% of total carbon emissions. However, in a time when strict measures to reduce energyconsumption in all the industrial and services sectors are required, the ICT sector faces an increase in services and bandwidth demand. The deployment of NextGenerationNetworks (NGN) will be the answer to this new demand and specifically, the NextGenerationAccessNetworks (NGANs) will provide higher bandwidth access to users. Several policy and cost analysis are being carried out to understand the risks and opportunities of new deployments, though the question of which is the role of energyconsumption in NGANs seems off the table. Thus, this paper proposes amodel to analyze the energyconsumption of the main fiber-based NGAN architectures, i.e. Fiber To The House (FTTH) in both Passive Optical Network (PON) and Point-to-Point (PtP) variations, and FTTx/VDSL. The aim of this analysis is to provide deeper insight on the impact of new deployments on the energyconsumption of the ICT sector and the effects of energyconsumption on the life-cycle cost of NGANs. The paper presents also an energyconsumption comparison of the presented architectures, particularized in the specific geographic and demographic distribution of users of Spain, but easily extendable to other countries.

Rebalancing urban mobility: a tale of four cities

The key of mobility in urban planning is not in dispute. Integrated strategies that take into account the interrelations among land use, transport supply and demand and the different transportation modes are more necessary than ever. In Europe, regulatory tools such as local mobility plans or traffic plans have been enforced for a long time, evolving into so-called sustainable urban transport plans (SUTP) ? that is, plans thatmerge urban planning,mobility governance, social awareness and environmental safeguards to develop a vision based on sustainability and equity. Indeed, SUTP are aimed at solving typical problems in current land use, such as urban sprawl, which make clear the need for a paradigm shift from transport (or mobility) planning to land use (or city) planning, thereby producing urban mobility plans that are fully aligned with integrated urban development plans. This paper describes how SUTP are articulated across Europe according to four case studies: Peterborough (UK), Chambe¿ry (France), Ferrara (Italy) and Pinto (Spain), to highlight variations and commonalities, both among the four national legal frameworks and the actual planning processes at the local level. Objectives, measures and indicators used in the monitoring and evaluation phases have been analysed and the results assessed. The main conclusion of the paper is that, as seen in these real-life examples, the lack of integration between spatial planning and transport strategies results in the unsustainability of urban areas and, therefore, in a significant loss of competitiveness.

A Simplified Energy Consumption Model for Fibre-Based Next Generation Access Networks

Presentación realizada en el PhD Seminar del ITS 2011 en Budapest. ICTs (Information and Communication Technologies) currently account for 2% of total carbon emissions. However, although modern standards require strict measures to reduce energy consumption across all industrial and services sectors, the ICT sector also faces an increase in services and bandwidth demand. The deployment of Next Generation Networks (NGN) will be the answer to this new demand; more specifically, Next Generation Access Networks (NGANs) will provide higher bandwidth access to users. Several policy and cost analyses are being carried out to understand the risks and opportunities of new deployments, but the question of what role energy consumption plays in NGANs seems off the table. Thus, this paper proposes a model to analyse the energy consumption of the main fibre-based NGAN architectures: Fibre To The House (FTTH), in both Passive Optical Network (PON) and Point-to-Point (PtP) variations, and FTTx/VDSL. The aim of this analysis is to provide deeper insight on the impact of new deployments on the energy consumption of the ICT sector and the effects of energy consumption on the life-cycle cost of NGANs. The paper also presents an energy consumption comparison of the presented architectures, particularised to the specific geographic and demographic distribution of users of Spain but easily extendable to other countries.

Método de análisis diacrónico para la intervención en el alojamiento con criterios ecológicos. El caso de Madrid 1940–2100

Las evidencias del impacto sobre el medio ambiente asociado al funcionamiento de las ciudades hacen que sea urgente proponer medidas que reduzcan este consumo y mejoren la eficiencia del metabolismo urbano. La existencia de límites en la disponibilidad de recursos materiales y energéticos, plantea actualmente un reto importante al ser humano: ¿son posibles otras formas de organización más adecuadas a esta condición de limitación? Para dar respuesta, resulta fundamental conocer cómo interactuarán nuestros sistemas urbanos en un modelo económico de continuo desarrollo, con la población que alojan, y si podrán adaptarse a la capacidad de carga limitada del Planeta, evitando futuras situaciones de colapso anunciadas desde distintos ámbitos científicos. En ese contexto, la tesis formula un método de análisis del alojamiento que, mediante la evaluación a largo plazo, permita proponer medidas de intervención para reducir el consumo de recursos asociado a su funcionamiento. Se parte de un enfoque ecológico para definir el alojamiento como una parte fundamental del sistema urbano, que está compuesto por tres elementos: habitantes, viviendas y recursos naturales; por tanto, para reducir los impactos asociados al alojamiento es necesario tener en cuenta la diferente naturaleza de estos elementos y el carácter dinámico de las relaciones que se producen entre ellos. La Ecología, a través del estudio de los ecosistemas, ha identificado estrategias de supervivencia y adaptación ante los cambios y perturbaciones. La similitud entre los elementos de un ecosistema (población y soporte) y los del alojamiento (habitantes, viviendas y recursos naturales) permite verificar que la aplicación de estas estrategias al alojamiento puede conducir a situaciones más deseables en la relación de los sistemas urbanos con su entorno A partir de esta hipótesis, se propone un método de análisis diacrónico1 o a largo plazo, para conocer la evolución en el tiempo del alojamiento a través de la cuantificación de una serie de indicadores descriptivos de los habitantes, las viviendas y los recursos naturales. La aplicación de este método a un sistema urbano permitiría conocer las características de los elementos del sistema y, para un ámbito temporal de futuro, prever su evolución, identificar escenarios no deseables y proponer medidas de intervención que corrijan anticipadamente estas situaciones y eviten impactos ambientales innecesarios. La validación del método de análisis se realiza mediante la aplicación al caso de Madrid en periodo retrospectivo (de 1940 a 2010) A partir del estudio de la evolución en Madrid de los indicadores seleccionados, se proponen medidas de intervención en el alojamiento basadas en estrategias ecológicas que habrían conducido a una evolución alternativa con un impacto menor sobre el medio ambiente que la situación actual. El método de análisis se aplica con carácter prospectivo definiendo tres escenarios de futuro para Madrid hasta 2100. Para cada uno de ellos se analiza la evolución previsible de los indicadores y se proponen diferentes medidas de intervención que, desde el punto de vista ecológico, conducirían a una situación más adecuada. La tesis concluye en el interés de este método de análisis diacrónico que permite estimar posibilidades en la evolución futura del alojamiento, identificar las necesidades de recursos para responder a las demandas de los habitantes y, desde un enfoque ecológico, definir, cuantificar y evaluar posibles medidas de intervención que reduzcan los impactos ambientales. El método, por tanto, es una herramienta de interés para la toma de decisiones en la intervención en el alojamiento y en la planificación urbana a largo plazo. ABSTRACT Evidence of the impact on the environment associated with the operation of cities make it urgent to propose measures to reduce energy consumption and improve the efficiency of urban metabolism. The limited availability of materials and energy resources currently poses a significant challenge to human beings: are more appropriate forms of organization for this limitation possible? In response, it is essential to know how our urban systems with the population they host will interact in an economic model of continuous development and whether they can adapt to the limited endurance capacity of the planet, thus avoiding future collapse situations which are being announced from different scientific fields. In this context, the thesis puts forward a method of housing analysis that by a long term assessment will enable to propose intervention measures to reduce resource consumption associated with its operation. The thesis is based on an ecological approach to identify housing as a fundamental part of the urban system, which is composed of three elements: inhabitants, homes and natural resources. Therefore, in order to reduce the impacts associated with housing it is necessary to consider the characteristics of these elements and the dynamic nature of the relationships among them. Ecology, through the analysis of ecosystems, has identified strategies for survival and adaptation to changes and disturbances. The similarity between the elements of an ecosystem (population and support) and housing (inhabitants, homes and natural resources) enables to verify that the implementation of these strategies to housing can lead to better situations in the relationship existing between urban systems with their environment. From this hypothesis, a diachronic or long term analysis method is proposed to know the evolution of housing over time through the quantification of a descriptive indicators series of inhabitants, homes and natural resources. The implementation of this method to a urban system would allow better knowledge of the characteristics of these elements and forecast their development, identify undesirable scenarios and propose early intervention measures to correct these situations and avoid unnecessary environmental impacts. The validation of the method of analysis has been proved in the city of Madrid for the years 1940-2010. From the analysis of the evolution of the indicators selected, accommodation intervention measures are proposed based on ecological strategies that would have led to an alternative development having less impact on the environment than that of the current situation. The analysis method is implemented prospectively defining three future scenarios for the city of Madrid until 2100. The likely evolution of the indicators are analyzed for each scenario and various intervention measures that would lead to a better situation from an ecological point of view are proposed. The thesis conclusion states the interest of this diachronic analysis method to estimate potential future developments in the housing field, identify resource requirements to meet the demands of the citizens and, from an ecological approach, define, quantify and assess possible intervention measures to reduce environmental impacts. The method, therefore, is an interesting tool for decision-making process as for the intervention in housing and urban planning in the long term.

Evaluación del comportamiento mecánico de estructuras de hormigón armado utilizadas como elementos termoactivos

El objetivo de este trabajo es conocer las posibles modificaciones que puede producir en el comportamiento de las estructuras de hormigón armado (EHA) el hecho de que sean utilizadas como estructuras termoactivas, ya sea como intercambiadores en contacto con el terreno, o como sistema de distribución de calor utilizando la inercia térmica de los elementos de hormigón del edificio, basándose en el uso de energías renovables. Las EHA termoactivas se caracterizan por la incorporación en su interior de tubos de polietileno por los que circulan fluidos a temperaturas medias, que pueden incidir en el comportamiento mecánico de los elementos estructurales debido a dos efectos fundamentales: el incremento de temperatura que se produce en el interior de la EHA y la perturbación provocada por la incorporación de los tubos de polietileno. Con este fin, se ha realizado una campaña experimental de probetas de hormigón, estudiando los dos efectos por separado, por un lado se ha evaluado el comportamiento de probetas de hormigón tipo H-25 y tipo H-30 sometidas a cuatro temperaturas diferentes: 20ºC, 40ºC, 70ºC y 100ºC, ensayando la resistencia a compresión y la resistencia a anclaje/adherencia mediante ensayo “pull-out”; y, por otro lado, se ha evaluado el comportamiento de probetas de hormigón tipo H-25 y tipo H-30, elaboradas con dos tipos de molde (cilíndrico y cúbico), en las que se ha colocado tubos de polietileno en su interior en distintas posiciones, ensayando su resistencia a compresión. Los resultados de los ensayos han puesto de manifiesto que aunque se produce una disminución en la resistencia a compresión, y a arrancamiento, del hormigón, al ser sometido a aumentos de temperatura, esta disminución de la propiedades mecánicas es inferior al 20% al no superar esta tecnología los 70ºC; y respecto a la variación de la resistencia a compresión de probetas cilíndricas y cúbicas, debidas a la incorporación de los tubos de polietileno, se observa que si la posición de los mismos es paralela a la dirección de la carga tampoco se ven comprometidas las propiedad mecánicas del hormigón en valores superiores al 20%. ABSTRACT The aim of this project is to study the effects of using concrete structures as thermo-active constructions, either as energy foundations or other kind of thermo-active ground structures, or as a thermally activated building structure utilizing its own thermal mass conductivity and storage capacity to heat and cool buildings, based on renewable or “free” energy sources. The pipes, filled with a heat carrier fluid, that are embedded into the building´s concrete elements may bring on two different adverse effects on concrete structures. In one hand, the consequence of thermal variations and, on the other hand, because of the fact that the pipes are inside of the concrete mortar and in direct contact with the reinforcing steel bars. For this reason, different types of specimens and testing procedures have been proposed to discuss the effects of temperature (20º, 40ºC, 70ºC y 100ºC) on the performance of two different hardened concrete: H-25 and H-30, and the effects of having the pipes embedded in different positions inside of specimens made of two types of concrete, H-25 and H-30, and with two kind of cast, cylindrical and cubical. The experimental program includes the use of compressive strength test and also pull-out test, in order to investigate the interfacial adhesion quality and interfacial properties between steel bar and concrete. The results of the mechanical test showed that the increase of temperature in hardened concrete specimens lower than 70ºC, and the introduction of embedded pipes placed in parallel to the load, in cylindrical or cubic specimens, does not jeopardize the mechanical properties of concrete with strength decreases higher than 20%.

Análisis y simulación numérica de problemas electrohidrodinámicos relacionados con el electrospray

La presente tesis es un estudio analítico y numérico del electrospray. En la configuración más sencilla, un caudal constante del líquido a atomizar, que debe tener una cierta conductividad eléctrica, se inyecta en un medio dieléctrico (un gas u otro líquido inmiscible con el primero) a través de un tubo capilar metálico. Entre este tubo y un electrodo lejano se aplica un voltaje continuo que origina un campo eléctrico en el líquido conductor y en el espacio que lo rodea. El campo eléctrico induce una corriente eléctrica en el líquido, que acumula carga en su superficie, y da lugar a un esfuerzo eléctrico sobre la superficie, que tiende a alargarla en la dirección del campo eléctrico. El líquido forma un menisco en el extremo del tubo capilar cuando el campo eléctrico es suficientemente intenso y el caudal suficientemente pequeño. Las variaciones de presión y los esfuerzos viscosos asociados al movimiento del líquido son despreciables en la mayor parte de este menisco, siendo dominantes los esfuerzos eléctrico y de tensión superficial que actúan sobre la superficie del líquido. En el modo de funcionamiento llamado de conochorro, el balance de estos esfuerzos hace que el menisco adopte una forma cónica (el cono de Taylor) en una región intermedia entre el extremo del tubo y la punta del menisco. La velocidad del líquido aumenta al acercarse al vértice del cono, lo cual propicia que las variaciones de la presión en el líquido generadas por la inercia o por la viscosidad entren en juego, desequilibrando el balance de esfuerzos mencionado antes. Como consecuencia, del vértice del cono sale un delgado chorro de líquido, que transporta la carga eléctrica que se acumula en la superficie. La acción del campo eléctrico tangente a la superficie sobre esta carga origina una tracción eléctrica que tiende a alargar el chorro. Esta tracción no es relevante en el menisco, donde el campo eléctrico tangente a la superficie es muy pequeño, pero se hace importante en el chorro, donde es la causa del movimiento del líquido. Lejos del cono, el chorro puede o bien desarrollar una inestabilidad asimétrica que lo transforma en una espiral (whipping) o bien romperse en un spray de gotas prácticamente monodispersas cargadas eléctricamente. La corriente eléctrica transportada por el líquido es la suma de la corriente de conducción en el interior del líquido y la corriente debida a la convección de la carga acumulada en su superficie. La primera domina en el menisco y la segunda en el chorro lejano, mientras que las dos son comparables en una región intermedia de transferencia de corriente situada al comienzo del chorro aunque aguas abajo de la región de transición cono-chorro, en la que el menisco deja de ser un cono de Taylor. Para un campo exterior dado, la acumulación de carga eléctrica en la superficie del líquido reduce el campo eléctrico en el interior del mismo, que llega a anularse cuando la carga alcanza un estado final de equilibrio. El tiempo característico de este proceso es el tiempo de relajación dieléctrica, que es una propiedad del líquido. Cuando el tiempo de residencia del líquido en la región de transición cono-chorro (o en otra región del campo fluido) es grande frente al tiempo de relajación dieléctrica, la carga superficial sigue una sucesión de estados de equilibrio y apantalla al líquido del campo exterior. Cuando esta condición deja de cumplirse, aparecen efectos de relajación de carga, que se traducen en que el campo exterior penetra en el líquido, a no ser que su constante dieléctrica sea muy alta, en cuyo caso el campo inducido por la carga de polarización evita la entrada del campo exterior en el menisco y en una cierta región del chorro. La carga eléctrica en equilibrio en la superficie de un menisco cónico intensifica el campo eléctrico y determina su variación espacial hasta distancias aguas abajo del menisco del orden de su tamaño. Este campo, calculado por Taylor, es independiente del voltaje aplicado, por lo que las condiciones locales del flujo y el valor de la corriente eléctrica son también independientes del voltaje en tanto los tamaños de las regiones que determinan estas propiedades sean pequeños frente al tamaño del menisco. Los resultados experimentales publicados en la literatura muestran que existe un caudal mínimo para el que el modo cono-chorro que acabamos de describir deja de existir. El valor medio y la desviación típica de la distribución de tamaños de las gotas generadas por un electrospray son mínimos cuando se opera cerca del caudal mínimo. A pesar de que los mecanismos responsables del caudal mínimo han sido muy estudiados, no hay aún una teoría completa del mismo, si bien su existencia parece estar ligada a la aparición de efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. En esta tesis, se presentan estimaciones de orden de magnitud, algunas existentes y otras nuevas, que muestran los balances dominantes responsables de las distintas regiones de la estructura asintótica de la solución en varios casos de interés. Cuando la inercia del líquido juega un papel en la transición cono-chorro, los resultados muestran que la región de transferencia de corriente, donde la mayor parte de la corriente pasa a la superficie, está en el chorro aguas abajo de la región de transición cono-chorro. Los efectos de relajación de carga aparecen de forma simultánea en el chorro y la región de transición cuando el caudal se disminuye hasta valores de un cierto orden. Para caudales aún menores, los efectos de relajación de carga se notan en el menisco, en una región grande comparada con la de transición cono-chorro. Cuando el efecto de las fuerzas de viscosidad es dominante en la región de transición, la región de transferencia de corriente está en el chorro pero muy próxima a la región de transición cono-chorro. Al ir disminuyendo el caudal, los efectos de relajación de carga aparecen progresivamente en el chorro, en la región de transición y por último en el menisco. Cuando el caudal es mucho mayor que el mínimo del modo cono-chorro, el menisco deja de ser cónico. El campo eléctrico debido al voltaje aplicado domina en la región de transferencia de corriente, y tanto la corriente eléctrica como el tamaño de las diferentes regiones del problema pasan a depender del voltaje aplicado. Como resultado de esta dependencia, el plano caudal-voltaje se divide en diferentes regiones que se analizan separadamente. Para caudales suficientemente grandes, la inercia del líquido termina dominando frente a las fuerzas de la viscosidad. Estos resultados teóricos se han validado con simulaciones numéricas. Para ello se ha formulado un modelo simplificado del flujo, el campo eléctrico y el transporte de carga en el menisco y el chorro del electrospray. El movimiento del líquido se supone casi unidireccional y se describe usando la aproximación de Cosserat para un chorro esbelto. Esta aproximación, ampliamente usada en la literatura, permite simular con relativa facilidad múltiples casos y cubrir amplios rangos de valores de los parámetros reteniendo los efectos de la viscosidad y la inercia del líquido. Los campos eléctricos dentro y fuera del liquido están acoplados y se calculan sin simplificación alguna usando un método de elementos de contorno. La solución estacionaria del problema se calcula mediante un método iterativo. Para explorar el espacio de los parámetros, se comienza calculando una solución para valores fijos de las propiedades del líquido, el voltaje aplicado y el caudal. A continuación, se usa un método de continuación que permite delinear la frontera del dominio de existencia del modo cono-chorro, donde el método iterativo deja de converger. Cuando el efecto de la inercia del líquido domina en la región de transición cono-chorro, el caudal mínimo para el cual el método iterativo deja de converger es del orden del valor estimado del caudal para el que comienza a haber efectos de relajación de carga en el chorro y el cono. Aunque las simulaciones no convergen por debajo de dicho caudal, el valor de la corriente eléctrica para valores del caudal ligeramente mayores parece ajustarse a las estimaciones para caudales menores, reflejando un posible cambio en los balances aplicables. Por el contrario, cuando las fuerzas viscosas dominan en la región de transición, se pueden obtener soluciones estacionarias para caudales bastante menores que aquel para el que aparecen efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. Los resultados numéricos obtenidos para estos pequeños caudales se ajustan perfectamente a las estimaciones de orden de magnitud que se describen en la memoria. Por último, se incluyen como anexos dos estudios teóricos que han surgido de forma natural durante el desarrollo de la tesis. El primero hace referencia a la singularidad en el campo eléctrico que aparece en la línea de contacto entre el líquido y el tubo capilar en la mayoría de las simulaciones. Primero se estudia en qué situaciones el campo eléctrico tiende a infinito en la línea de contacto. Después, se comprueba que dicha singularidad no supone un fallo en la descripción del problema y que además no afecta a la solución lejos de la línea de contacto. También se analiza si los esfuerzos eléctricos infinitamente grandes a los que da lugar dicha singularidad pueden ser compensados por el resto de esfuerzos que actúan en la superficie del líquido. El segundo estudio busca determinar el tamaño de la región de apantallamiento en un chorro de líquido dieléctrico sin carga superficial. En esta región, el campo exterior es compensado parcialmente por el campo que induce la carga de polarización en la superficie del líquido, de forma que en el interior del líquido el campo eléctrico es mucho menor que en el exterior. Una región como ésta aparece en las estimaciones cuando los efectos de relajación de carga son importantes en la región de transferencia de corriente en el chorro. ABSTRACT This aim of this dissertation is a theoretical and numerical analysis of an electrospray. In its most simple configuration, a constant flow rate of the liquid to be atomized, which has to be an electrical conductor, is injected into a dielectric medium (a gas or another inmiscible fluid) through a metallic capillary tube. A constant voltage is applied between this tube and a distant electrode that produces an electric field in the liquid and the surrounding medium. This electric field induces an electric current in the liquid that accumulates charge at its surface and leads to electric stresses that stretch the surface in the direction of the electric field. A meniscus appears on the end of the capillary tube when the electric field is sufficiently high and the flow rate is small. Pressure variations and viscous stresses due to the motion of the liquid are negligible in most of the meniscus, where normal electric and surface tension stresses acting on the surface are dominant. In the so-called cone-jet mode, the balance of these stresses forces the surface to adopt a conical shape -Taylor cone- in a intermediate region between the end of the tube and the tip of the meniscus. When approaching the cone apex, the velocity of the liquid increases and leads to pressure variations that eventually disturb the balance of surfaces tension and electric stresses. A thin jet emerges then from the tip of the meniscus that transports the charge accumulated at its surface. The electric field tangent to the surface of the jet acts on this charge and continuously stretches the jet. This electric force is negligible in the meniscus, where the component of the electric field tangent to the surface is small, but becomes very important in the jet. Far from the cone, the jet can either develop an asymmetrical instability named “whipping”, whereby the jet winds into a spiral, or break into a spray of small, nearly monodisperse, charged droplets. The electric current transported by the liquid has two components, the conduction current in the bulk of the liquid and the convection current due to the transport of the surface charge by the flow. The first component dominates in the meniscus, the second one in the far jet, and both are comparable in a current transfer region located in the jet downstream of the cone-jet transition region where the meniscus ceases to be a Taylor cone. Given an external electric field, the charge that accumulates at the surface of the liquid reduces the electric field inside the liquid, until an equilibrium is reached in which the electric field induced by the surface charge counters the external electric field and shields the liquid from this field. The characteristic time of this process is the electric relaxation time, which is a property of the liquid. When the residence time of the liquid in the cone-jet transition region (or in other region of the flow) is greater than the electric relaxation time, the surface charge follows a succession of equilibrium states and continuously shield the liquid from the external field. When this condition is not satisfied, charge relaxation effects appear and the external field penetrates into the liquid unless the liquid permittivity is large. For very polar liquids, the field due to the polarization charge at the surface prevents the external field from entering the liquid in the cone and in certain region of the jet. The charge at the surface of a conical meniscus intensifies the electric field around the cone, determining its spatial variation up to distances downstream of the apex of the order of the size of the meniscus. This electric field, first computed by Taylor, is independent of the applied voltage. Therefore local flow characteristics and the electric current carried by the jet are also independent of the applied voltage provided the size of the regions that determine these magnitudes are small compared with the size of the meniscus. Many experiments in the literature show the existence of a minimum flow rate below which the cone-jet mode cannot be established. The mean value and the standard deviation of the electrospray droplet size distribution are minimum when the device is operated near the minimum flow rate. There is no complete explanation of the minimum flow rate, even though possible mechanisms have been extensively studied. The existence of a minimum flow rate seems to be connected with the appearance of charge relaxation effects in the transition region. In this dissertation, order of magnitude estimations are worked out that show the dominant balances in the different regions of the asymptotic structure of the solution for different conditions of interest. When the inertia of the liquid plays a role in the cone-jet transition region, the region where most of the electric current is transfered to the surface lies in the jet downstream the cone-jet transition region. When the flow rate decreases to a certain value, charge relaxation effects appear simultaneously in the jet and in the transition region. For smaller values of the flow rate, charge relaxation effects are important in a region of the meniscus larger than the transition region. When viscous forces dominate in the flow in the cone-jet transition region, the current transfer region is located in the jet immediately after the transition region. When flow rate is decreased, charge relaxation effects appears gradually, first in the jet, then in the transition region, and finally in the meniscus. When flow rate is much larger than the cone-jet mode minimum, the meniscus ceases to be a cone. The electric current and the structure of the solution begin to depend on the applied voltage. The flow rate-voltage plane splits into different regions that are analyzed separately. For sufficiently large flow rates, the effect of the inertia of the liquid always becomes greater than the effect of the viscous forces. A set of numerical simulations have been carried out in order to validate the theoretical results. A simplified model of the problem has been devised to compute the flow, the electric field and the surface charge in the meniscus and the jet of an electrospray. The motion of the liquid is assumed to be quasi-unidirectional and described by Cosserat’s approximation for a slender jet. This widely used approximation allows to easily compute multiple configurations and to explore wide ranges of values of the governing parameters, retaining the effects of the viscosity and the inertia of the liquid. Electric fields inside and outside the liquid are coupled and are computed without any simplification using a boundary elements method. The stationary solution of the problem is obtained by means of an iterative method. To explore the parameter space, a solution is first computed for a set of values of the liquid properties, the flow rate and the applied voltage, an then a continuation method is used to find the boundaries of the cone-jet mode domain of existence, where the iterative method ceases to converge. When the inertia of the liquid dominates in the cone-jet transition region, the iterative method ceases to converge for values of the flow rate for which order-of-magnitude estimates first predict charge relaxation effects to be important in the cone and the jet. The electric current computed for values of the flow rate slightly above the minimum for which convergence is obtained seems to agree with estimates worked out for lower flow rates. When viscous forces dominate in the transition region, stationary solutions can be obtained for flow rates significantly smaller than the one for which charge relaxation effects first appear in the transition region. Numerical results obtained for those small values of the flow rate agree with our order of magnitude estimates. Theoretical analyses of two issues that have arisen naturally during the thesis are summarized in two appendices. The first appendix contains a study of the singularity of the electric field that most of the simulations show at the contact line between the liquid and the capillary tube. The electric field near the contact line is analyzed to determine the ranges of geometrical configurations and liquid permittivity where a singularity appears. Further estimates show that this singularity does not entail a failure in the description of the problem and does not affect the solution far from the contact line. The infinite electric stresses that appear at the contact line can be effectively balanced by surface tension. The second appendix contains an analysis of the size and slenderness of the shielded region of a dielectric liquid in the absence of free surface charge. In this region, the external electric field is partially offset by the polarization charge so that the inner electric field is much lower than the outer one. A similar region appears in the estimates when charge relaxation effects are important in the current transfer region.