Identificació de variables d'estat del sistema costaner sensibles a la càrrega de nutrients

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Napier University, Gran Bretanya, des d’octubre del 2006 a febrer del 2007. Els ecosistemes marins costaners són sistemes complexos, tant pel que fa a l’estructura de les comunitats que hi viuen com per la seva dinàmica, amb processos que impliquen múltiples escales d’espai i de temps. Aquesta complexitat natural s’ha incrementat al llarg de les darreres dècades com a conseqüència directa del creixement urbà al litoral. L’augment de població a les zones costaneres ha comportat no només un augment generalitzat en l’aport de nutrients inorgànics al mar, sinó també una forta intervenció sobre la línia de costa –construcció de ports, dics- i canvis en el moviment de les masses d’aigua. En aquest context, la interacció entre els factors turbulència-nutrients a la zona costanera pot ser clau per a millorar la nostra comprensió sobre el funcionament dels sistemes planctònics i, en darrer terme, per a derivar-ne mesures de gestió. A diferència de treballs experimentals previs, que adrecen els efectes de la turbulència i/o els nutrients sobre grups específics de plàncton, per avaluar la resposta conjunta de la comunitat necessitem paràmetres integradors, que relacionin diversos processos i donin una idea general de l’estat i funcionament de l’ecosistema. Durant l’estada de recerca alguns dels algoritmes que es fan servir per la costa escocesa van reformular-se i recalcular-se amb dades de la Mediterrània (dades procedents de la badia de Blanes i de la costa de Barcelona). Els resultats mostren una capacitat de resposta molt ràpida del plàncton als increments de nutrients, una variabilitat anual marcada (quant a diversitat d’organismes planctònics) i apunten el fòsfor com a principal limitant del creixement dels organismes en aquesta zona de la Mediterrània.

Índexos indicadors de l'estat de l'ecosistema costaner: influència dels factors físoco-químics en l'ecologia del plàncton

La tesi en projecte aborda l’estudi multiescala de la relació entre la variabilitat de la turbulència i els nutrients, i l’estructura i la dinàmica de l’ecosistema costaner en el Mediterrani noroccidental. A partir d’experiments al laboratori i de diferents campanyes al mar, es pretén generar indicadors de funcionament de l’ecosistema planctònic sensibles a variacions hidrodinàmiques. L’efecte conjunt de la turbulència i els nutrients es preveu condicionat no únicament per la magnitud d’ambdues variables, sino també per la relació temporal entre els episodis de turbulència i els aports de nutrients. Per tal de tenir una casuística més àmplia de validació dels indicadors, s’han seleccionat tres àrees d’estudi properes a les desembocadures de rius amb aports de nutrients de concentracions relatives molt variables. La finalitat última del treball és millorar la comprensió del funcionament de l’ecosistema costaner en la interfase terra-mar per a una gestió més eficaç dels recursos.

Desenvolupament de codis numèrics per a la resolució de fluxos turbulents en ordinadors paral·lels emprant discretitzacions tipus symmetry-preserving

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of Groningen, Holanda, entre 2007 i 2009. La simulació directa de la turbulència (DNS) és una eina clau dins de la mecànica de fluids computacional. Per una banda permet conèixer millor la física de la turbulència i per l'altra els resultats obtinguts són claus per el desenvolupament dels models de turbulència. No obstant, el DNS no és una tècnica vàlida per a la gran majoria d'aplicacions industrials degut al elevats costos computacionals. Per tant, és necessari cert grau de modelització de la turbulència. En aquest context, s'han introduïts importants millores basades en la modelització del terme convectiu (no lineal) emprant symmetry-preserving regularizations. En tracta de modificar adequadament el terme convectiu a fi de reduir la producció d'escales més i més petites (vortex-stretching) tot mantenint tots els invariants de les equacions originals. Fins ara, aquest models s'han emprat amb èxit per nombres de Rayleigh (Ra) relativament elevats. En aquest punt, disposar de resultats DNS per a configuracions més complexes i nombres de Ra més elevats és clau. En aquest contexte, s'han dut a terme simulacions DNS en el supercomputador MareNostrum d'una Differentially Heated Cavity amb Ra=1e11 i Pr=0.71 durant el primer any dels dos que consta el projecte. A més a més, s'ha adaptat el codi a fi de poder simular el fluxe al voltant d'un cub sobre una pared amb Re=10000. Aquestes simulacions DNS són les més grans fetes fins ara per aquestes configuracions i la seva correcta modelització és un gran repte degut la complexitat dels fluxes. Aquestes noves simulacions DNS estan aportant nous coneixements a la física de la turbulència i aportant resultats indispensables per al progrés de les modelitzacións tipus symmetry-preserving regularization.

Implementation of zonal control algorithms in adaptive optical systems with sparse control matrices

Miralls deformables més i més grans, amb cada cop més actuadors estan sent utilitzats actualment en aplicacions d'òptica adaptativa. El control dels miralls amb centenars d'actuadors és un tema de gran interès, ja que les tècniques de control clàssiques basades en la seudoinversa de la matriu de control del sistema es tornen massa lentes quan es tracta de matrius de dimensions tan grans. En aquesta tesi doctoral es proposa un mètode per l'acceleració i la paral.lelitzacó dels algoritmes de control d'aquests miralls, a través de l'aplicació d'una tècnica de control basada en la reducció a zero del components més petits de la matriu de control (sparsification), seguida de l'optimització de l'ordenació dels accionadors de comandament atenent d'acord a la forma de la matriu, i finalment de la seva posterior divisió en petits blocs tridiagonals. Aquests blocs són molt més petits i més fàcils de fer servir en els càlculs, el que permet velocitats de càlcul molt superiors per l'eliminació dels components nuls en la matriu de control. A més, aquest enfocament permet la paral.lelització del càlcul, donant una com0onent de velocitat addicional al sistema. Fins i tot sense paral. lelització, s'ha obtingut un augment de gairebé un 40% de la velocitat de convergència dels miralls amb només 37 actuadors, mitjançant la tècnica proposada. Per validar això, s'ha implementat un muntatge experimental nou complet , que inclou un modulador de fase programable per a la generació de turbulència mitjançant pantalles de fase, i s'ha desenvolupat un model complert del bucle de control per investigar el rendiment de l'algorisme proposat. Els resultats, tant en la simulació com experimentalment, mostren l'equivalència total en els valors de desviació després de la compensació dels diferents tipus d'aberracions per als diferents algoritmes utilitzats, encara que el mètode proposat aquí permet una càrrega computacional molt menor. El procediment s'espera que sigui molt exitós quan s'aplica a miralls molt grans.

Langevin approach to generate synthetic turbulent flows

We present an analytical scheme, easily implemented numerically, to generate synthetic Gaussian turbulent flows by using a linear Langevin equation, where the noise term acts as a stochastic stirring force. The characteristic parameters of the velocity field are well introduced, in particular the kinematic viscosity and the spectrum of energy. As an application, the diffusion of a passive scalar is studied for two different energy spectra. Numerical results are compared favorably with analytical calculations.

Front dynamics in turbulent media

A study of a stable front propagating in a turbulent medium is presented. The front is generated through a reaction-diffusion equation, and the turbulent medium is statistically modeled using a Langevin equation. Numerical simulations indicate the presence of two different dynamical regimes. These regimes appear when the turbulent flow either wrinkles a still rather sharp propagating interfase or broadens it. Specific dependences of the propagating velocities on stirring intensities appropriate to each case are found and fitted when possible according to theoretically predicted laws. Different turbulent spectra are considered.

Diffusion of passive scalars under stochastic convection

The diffusion of passive scalars convected by turbulent flows is addressed here. A practical procedure to obtain stochastic velocity fields with well¿defined energy spectrum functions is also presented. Analytical results are derived, based on the use of stochastic differential equations, where the basic hypothesis involved refers to a rapidly decaying turbulence. These predictions are favorable compared with direct computer simulations of stochastic differential equations containing multiplicative space¿time correlated noise.

Langevin approach to generate synthetic turbulent flows

We present an analytical scheme, easily implemented numerically, to generate synthetic Gaussian turbulent flows by using a linear Langevin equation, where the noise term acts as a stochastic stirring force. The characteristic parameters of the velocity field are well introduced, in particular the kinematic viscosity and the spectrum of energy. As an application, the diffusion of a passive scalar is studied for two different energy spectra. Numerical results are compared favorably with analytical calculations.

Front dynamics in turbulent media

A study of a stable front propagating in a turbulent medium is presented. The front is generated through a reaction-diffusion equation, and the turbulent medium is statistically modeled using a Langevin equation. Numerical simulations indicate the presence of two different dynamical regimes. These regimes appear when the turbulent flow either wrinkles a still rather sharp propagating interfase or broadens it. Specific dependences of the propagating velocities on stirring intensities appropriate to each case are found and fitted when possible according to theoretically predicted laws. Different turbulent spectra are considered.

Diffusion of passive scalars under stochastic convection

The diffusion of passive scalars convected by turbulent flows is addressed here. A practical procedure to obtain stochastic velocity fields with well¿defined energy spectrum functions is also presented. Analytical results are derived, based on the use of stochastic differential equations, where the basic hypothesis involved refers to a rapidly decaying turbulence. These predictions are favorable compared with direct computer simulations of stochastic differential equations containing multiplicative space¿time correlated noise.

Identification of new transformation products during enzymatic treatment of tetracycline and erythromycin antibiotics at laboratory scale by an on-line turbulent flow liquid-chromatography coupled to a high resolution mass spectrometer LTQ-Orbitrap

This work describes the formation of transformation products (TPs) by the enzymatic degradation at laboratory scale of two highly consumed antibiotics: tetracycline (Tc) and erythromycin (ERY). The analysis of the samples was carried out by a fast and simple method based on the novel configuration of the on-line turbulent flow system coupled to a hybrid linear ion trap – high resolution mass spectrometer. The method was optimized and validated for the complete analysis of ERY, Tc and their transformation products within 10 min without any other sample manipulation. Furthermore, the applicability of the on-line procedure was evaluated for 25 additional antibiotics, covering a wide range of chemical classes in different environmental waters with satisfactory quality parameters. Degradation rates obtained for Tc by laccase enzyme and ERY by EreB esterase enzyme without the presence of mediators were ∼78% and ∼50%, respectively. Concerning the identification of TPs, three suspected compounds for Tc and five of ERY have been proposed. In the case of Tc, the tentative molecular formulas with errors mass within 2 ppm have been based on the hypothesis of dehydroxylation, (bi)demethylation and oxidation of the rings A and C as major reactions. In contrast, the major TP detected for ERY has been identified as the “dehydration ERY-A”, with the same molecular formula of its parent compound. In addition, the evaluation of the antibiotic activity of the samples along the enzymatic treatments showed a decrease around 100% in both cases