Estimation of the solubility parameters of model plant surfaces and agrochemicals: a valuable tool for understanding plant surface interactions

Background Most aerial plant parts are covered with a hydrophobic lipid-rich cuticle, which is the interface between the plant organs and the surrounding environment. Plant surfaces may have a high degree of hydrophobicity because of the combined effects of surface chemistry and roughness. The physical and chemical complexity of the plant cuticle limits the development of models that explain its internal structure and interactions with surface-applied agrochemicals. In this article we introduce a thermodynamic method for estimating the solubilities of model plant surface constituents and relating them to the effects of agrochemicals. Results Following the van Krevelen and Hoftyzer method, we calculated the solubility parameters of three model plant species and eight compounds that differ in hydrophobicity and polarity. In addition, intact tissues were examined by scanning electron microscopy and the surface free energy, polarity, solubility parameter and work of adhesion of each were calculated from contact angle measurements of three liquids with different polarities. By comparing the affinities between plant surface constituents and agrochemicals derived from (a) theoretical calculations and (b) contact angle measurements we were able to distinguish the physical effect of surface roughness from the effect of the chemical nature of the epicuticular waxes. A solubility parameter model for plant surfaces is proposed on the basis of an increasing gradient from the cuticular surface towards the underlying cell wall. Conclusions The procedure enabled us to predict the interactions among agrochemicals, plant surfaces, and cuticular and cell wall components, and promises to be a useful tool for improving our understanding of biological surface interactions.

Estimation of the solubility parameters of model plant surfaces and agrochemicals: a valuable tool for understanding plant surface interactions

Background Most aerial plant parts are covered with a hydrophobic lipid-rich cuticle, which is the interface between the plant organs and the surrounding environment. Plant surfaces may have a high degree of hydrophobicity because of the combined effects of surface chemistry and roughness. The physical and chemical complexity of the plant cuticle limits the development of models that explain its internal structure and interactions with surface-applied agrochemicals. In this article we introduce a thermodynamic method for estimating the solubilities of model plant surface constituents and relating them to the effects of agrochemicals. Results Following the van Krevelen and Hoftyzer method, we calculated the solubility parameters of three model plant species and eight compounds that differ in hydrophobicity and polarity. In addition, intact tissues were examined by scanning electron microscopy and the surface free energy, polarity, solubility parameter and work of adhesion of each were calculated from contact angle measurements of three liquids with different polarities. By comparing the affinities between plant surface constituents and agrochemicals derived from (a) theoretical calculations and (b) contact angle measurements we were able to distinguish the physical effect of surface roughness from the effect of the chemical nature of the epicuticular waxes. A solubility parameter model for plant surfaces is proposed on the basis of an increasing gradient from the cuticular surface towards the underlying cell wall. Conclusions The procedure enabled us to predict the interactions among agrochemicals, plant surfaces, and cuticular and cell wall components, and promises to be a useful tool for improving our understanding of biological surface interactions.

Wettability, polarity and water absorption of Quercus ilex leaves: effect of leaf side and age

Plant trichomes play important protective functions and may have a major influence on leaf surface wettability. With the aim of gaining insight into trichome structure, composition and function in relation to water-plant surface interactions, we analyzed the adaxial and abaxial leaf surface of Quercus ilex L. (holm oak) as model. By measuring the leaf water potential 24 h after the deposition of water drops on to abaxial and adaxial surfaces, evidence for water penetration through the upper leaf side was gained in young and mature leaves. The structure and chemical composition of the abaxial (always present) and adaxial (occurring only in young leaves) trichomes were analyzed by various microscopic and analytical procedures. The adaxial surfaces were wettable and had a high degree of water drop adhesion in contrast to the highly unwettable and water repellent abaxial holm oak leaf sides. The surface free energy, polarity and solubility parameter decreased with leaf age, with generally higher values determined for the abaxial sides. All holm oak leaf trichomes were covered with a cuticle. The abaxial trichomes were composed of 8% soluble waxes, 49% cutin, and 43% polysaccharides. For the adaxial side, it is concluded that trichomes and the scars after trichome shedding contribute to water uptake, while the abaxial leaf side is highly hydrophobic due to its high degree of pubescence and different trichome structure, composition and density. Results are interpreted in terms of water-plant surface interactions, plant surface physical-chemistry, and plant ecophysiology.

Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.

Interactions between roughness and topography in hydraulic models

Analysis of river flow using hydraulic modelling and its implications in derived environ-mental applications are inextricably connected with the way in which the river boundary shape is represented. This relationship is scale-dependent upon the modelling resolution which in turn determines the importance of a subscale performance of the model and the way subscale (surface and flow) processes are parameterised. Commonly, the subscale behaviour of the model relies upon a roughness parameterisation whose meaning depends on the dimensionality of the hydraulic model and the resolution of the topographic represen¬tation scale. This latter is, in turn, dependent on the resolution of the computational mesh as well as on the detail of measured topographic data. Flow results are affected by this interactions between scale and subscale parameterisation according to the dimensionality approach. The aim of this dissertation is the evaluation of these interactions upon hy¬draulic modelling results. Current high resolution topographic source availability induce this research which is tackled using a suitable roughness approach according to each di¬mensionality with the purpose of the interaction assessment. A 1D HEC-RAS model, a 2D raster-based diffusion-wave model with a scale-dependent distributed roughness parame-terisation and a 3D finite volume scheme with a porosity algorithm approach to incorporate complex topography have been used. Different topographic sources are assessed using a 1D scheme. LiDAR data are used to isolate the mesh resolution from the topographic content of the DEM effects upon 2D and 3D flow results. A distributed roughness parameterisation, using a roughness height approach dependent upon both mesh resolution and topographic content is developed and evaluated for the 2D scheme. Grain-size data and fractal methods are used for the reconstruction of topography with microscale information, required for some applications but not easily available. Sensitivity of hydraulic parameters to this topographic parameterisation is evaluated in a 3D scheme at different mesh resolu¬tions. Finally, the structural variability of simulated flow is analysed and related to scale interactions. Model simulations demonstrate (i) the importance of the topographic source in a 1D models; (ii) the mesh resolution approach is dominant in 2D and 3D simulations whereas in a 1D model the topographic source and even the roughness parameterisation impacts are more critical; (iii) the increment of the sensitivity to roughness parameterisa-tion in 1D and 2D schemes with detailed topographic sources and finer mesh resolutions; and (iv) the topographic content and microtopography impact throughout the vertical profile of computed 3D velocity in a depth-dependent way, whereas 2D results are not affected by topographic content variations. Finally, the spatial analysis shows that the mesh resolution controls high resolution model scale results, roughness parameterisation control 2D simulation results for a constant mesh resolution; and topographic content and micro-topography variations impacts upon the organisation of flow results depth-dependently in a 3D scheme. Resumen La topografía juega un papel fundamental en la distribución del agua y la energía en los paisajes naturales (Beven and Kirkby 1979; Wood et al. 1997). La simulación hidráulica combinada con métodos de medición del terreno por teledetección constituyen una poderosa herramienta de investigación en la comprensión del comportamiento de los flujos de agua debido a la variabilidad de la superficie sobre la que fluye. La representación e incorporación de la topografía en el esquema hidráulico tiene una importancia crucial en los resultados y determinan el desarrollo de sus aplicaciones al campo medioambiental. Cualquier simulación es una simplificación de un proceso del mundo real, y por tanto el grado de simplificación determinará el significado de los resultados simulados. Este razonamiento es particularmente difícil de trasladar a la simulación hidráulica donde aspectos de la escala tan diferentes como la escala de los procesos de flujo y de representación del contorno son considerados conjuntamente incluso en fases de parametrización (e.g. parametrización de la rugosidad). Por una parte, esto es debido a que las decisiones de escala vienen condicionadas entre ellas (e.g. la dimensionalidad del modelo condiciona la escala de representación del contorno) y por tanto interaccionan en sus resultados estrechamente. Y por otra parte, debido a los altos requerimientos numéricos y computacionales de una representación explícita de alta resolución de los procesos de flujo y discretización de la malla. Además, previo a la modelización hidráulica, la superficie del terreno sobre la que el agua fluye debe ser modelizada y por tanto presenta su propia escala de representación, que a su vez dependerá de la escala de los datos topográficos medidos con que se elabora el modelo. En última instancia, esta topografía es la que determina el comportamiento espacial del flujo. Por tanto, la escala de la topografía en sus fases de medición y modelización (resolución de los datos y representación topográfica) previas a su incorporación en el modelo hidráulico producirá a su vez un impacto que se acumulará al impacto global resultante debido a la escala computacional del modelo hidráulico y su dimensión. La comprensión de las interacciones entre las complejas geometrías del contorno y la estructura del flujo utilizando la modelización hidráulica depende de las escalas consideradas en la simplificación de los procesos hidráulicos y del terreno (dimensión del modelo, tamaño de escala computacional y escala de los datos topográficos). La naturaleza de la aplicación del modelo hidráulico (e.g. habitat físico, análisis de riesgo de inundaciones, transporte de sedimentos) determina en primer lugar la escala del estudio y por tanto el detalle de los procesos a simular en el modelo (i.e. la dimensionalidad) y, en consecuencia, la escala computacional a la que se realizarán los cálculos (i.e. resolución computacional). Esta última a su vez determina, el detalle geográfico con que deberá representarse el contorno acorde con la resolución de la malla computacional. La parametrización persigue incorporar en el modelo hidráulico la cuantificación de los procesos y condiciones físicas del sistema natural y por tanto debe incluir no solo aquellos procesos que tienen lugar a la escala de modelización, sino también aquellos que tienen lugar a un nivel subescalar y que deben ser definidos mediante relaciones de escalado con las variables modeladas explícitamente. Dicha parametrización se implementa en la práctica mediante la provisión de datos al modelo, por tanto la escala de los datos geográficos utilizados para parametrizar el modelo no sólo influirá en los resultados, sino también determinará la importancia del comportamiento subescalar del modelo y el modo en que estos procesos deban ser parametrizados (e.g. la variabilidad natural del terreno dentro de la celda de discretización o el flujo en las direcciones laterales y verticales en un modelo unidimensional). En esta tesis, se han utilizado el modelo unidimensional HEC-RAS, (HEC 1998b), un modelo ráster bidimensional de propagación de onda, (Yu 2005) y un esquema tridimensional de volúmenes finitos con un algoritmo de porosidad para incorporar la topografía, (Lane et al. 2004; Hardy et al. 2005). La geometría del contorno viene definida por la escala de representación topográfica (resolución de malla y contenido topográfico), la cual a su vez depende de la escala de la fuente cartográfica. Todos estos factores de escala interaccionan en la respuesta del modelo hidráulico a la topografía. En los últimos años, métodos como el análisis fractal y las técnicas geoestadísticas utilizadas para representar y analizar elementos geográficos (e.g. en la caracterización de superficies (Herzfeld and Overbeck 1999; Butler et al. 2001)), están promoviendo nuevos enfoques en la cuantificación de los efectos de escala (Lam et al. 2004; Atkinson and Tate 2000; Lam et al. 2006) por medio del análisis de la estructura espacial de la variable (e.g. Bishop et al. 2006; Ju et al. 2005; Myint et al. 2004; Weng 2002; Bian and Xie 2004; Southworth et al. 2006; Pozd-nyakova et al. 2005; Kyriakidis and Goodchild 2006). Estos métodos cuantifican tanto el rango de valores de la variable presentes a diferentes escalas como la homogeneidad o heterogeneidad de la variable espacialmente distribuida (Lam et al. 2004). En esta tesis, estas técnicas se han utilizado para analizar el impacto de la topografía sobre la estructura de los resultados hidráulicos simulados. Los datos de teledetección de alta resolución y técnicas GIS también están siendo utilizados para la mejor compresión de los efectos de escala en modelos medioambientales (Marceau 1999; Skidmore 2002; Goodchild 2003) y se utilizan en esta tesis. Esta tesis como corpus de investigación aborda las interacciones de esas escalas en la modelización hidráulica desde un punto de vista global e interrelacionado. Sin embargo, la estructura y el foco principal de los experimentos están relacionados con las nociones espaciales de la escala de representación en relación con una visión global de las interacciones entre escalas. En teoría, la representación topográfica debe caracterizar la superficie sobre la que corre el agua a una adecuada (conforme a la finalidad y dimensión del modelo) escala de discretización, de modo que refleje los procesos de interés. La parametrización de la rugosidad debe de reflejar los efectos de la variabilidad de la superficie a escalas de más detalle que aquellas representadas explícitamente en la malla topográfica (i.e. escala de discretización). Claramente, ambos conceptos están físicamente relacionados por un

Sudden transition to chaos in plasma wave interactions

The coherent three-wave interaction, with linear growth in the higher frequency wave and damping in the two other waves, is reconsidered; for equal dampings, the resulting three-dimensional (3-D) flow of a relative phase and just two amplitudes behaved chaotically, no matter how small the growth of the unstable wave. The general case of different dampings is studied here to test whether, and how, that hard scenario for chaos is preserved in passing from 3-D to four-dimensional flows. It is found that the wave with higher damping is partially slaved to the other damped wave; this retains a feature of the original problem an invariant surface that meets an unstable fixed point, at zero growth rate! that gave rise to the chaotic attractor and determined its structure, and suggests that the sudden transition to chaos should appear in more complex wave interactions.

Evaluation of the surface free energy of plant surfaces: toward standardizing the procedure

Plant surfaces have been found to have a major chemical and physical heterogeneity and play a key protecting role against multiple stress factors. During the last decade, there is a raising interest in examining plant surface properties for the development of biomimetic materials. Contact angle measurement of different liquids is a common tool for characterizing synthetic materials, which is just beginning to be applied to plant surfaces. However, some studies performed with polymers and other materials showed that for the same surface, different surface free energy values may be obtained depending on the number and nature of the test liquids analyzed, materials' properties, and surface free energy calculation methods employed. For 3 rough and 3 rather smooth plant materials, we calculated their surface free energy using 2 or 3 test liquids and 3 different calculation methods. Regardless of the degree of surface roughness, the methods based on 2 test liquids often led to the under- or over-estimation of surface free energies as compared to the results derived from the 3-Liquids method. Given the major chemical and structural diversity of plant surfaces, it is concluded that 3 different liquids must be considered for characterizing materials of unknown physico-chemical properties, which may significantly differ in terms of polar and dispersive interactions. Since there are just few surface free energy data of plant surfaces with the aim of standardizing the calculation procedure and interpretation of the results among for instance, different species, organs, or phenological states, we suggest the use of 3 liquids and the mean surface tension values provided in this study.

Numerical and experimental study of appendages in racing yachts and their influence on the free surface

Las prestaciones de un velero de regatas se estiman por medio de los Programas de Predicción de Velocidad (VPP) que incluyen las características de estabilidad y modelos aero e hidrodinámico del barco. Por esta razón, es importante tener una evaluación adecuada de las fuerzas en apéndices y de su variación en diferentes condiciones de navegación, escora y deriva. Además, para el cálculo de las fuerzas en los apéndices es importante conocer sus características hidrodinámicas cuando trabajan conjuntamente en un campo fluido fuertemente modificado por la carena. Por esta razón, se han utilizado una serie de ensayos realizados en el Canal de Ensayos de la ETSIN con el objetivo de validar códigos numéricos que permiten una evaluación más rápida y focalizada en los distintos fenómenos que se producen. Dichos ensayos se han realizado de forma que pudiera medirse independientemente las fuerzas hidrodinámicas en cada apéndice, lo que permitirá evaluar el reparto de fuerzas en diferentes condiciones de navegación para poder profundizar en las interacciones entre carena, quilla y timón. Las técnicas numéricas permiten capturar detalles que difícilmente se pueden visualizar en ensayos experimentales. En este sentido, se han probado las últimas técnicas utilizadas en los últimos workshops y se ha enfocado el estudio a un nuevo método con el objetivo de mostrar una metodologia más rápida que pueda servir a la industria para este tipo de aproximación al problema. ABSTRACT The performances of a racing sailboat are estimated by means of the speed prediction programs (VPP), which include the ship stability characteristics and the aero and hydrodynamic models. For this reason, it is important to have an adequate evaluation of the forces in appendices and its variation in different sailing conditions, heel and leeway Moreover, for the analysis of the forces in the appendices, it is important to know their hydrodynamic characteristics when they work together in a fluid field strongly modified by the canoe body. For this reason, several tests have been done in the ETSIN towing tank with the aim to validate numeric codes that allowing faster analysis and they permit to focus on the different phenomena that occur there. Such tests have been done in a way that the hydrodynamic forces in each appendage could be measured independently allowing assessing the distribution of forces in different sailing conditions to be able to deepen the interactions between the canoe body, the keel and the rudder. Numerical techniques allow capturing details that can hardly be displayed in experimental tests. In this sense, the latest techniques used in the recent workshops have been reviewed and the study has been focused to propose a new model with the aim to show a new faster methodology which serves the industry for this type of approach to the problem.