Simulación numérica de un problema de contaminación atmosférica

La ecuación en derivadas parciales de advección difusión con reacción química es la base de los modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, y los diferentes métodos numéricos empleados para su resolución han sido objeto de amplios estudios a lo largo de su desarrollo. En esta Tesis se presenta la implementación de un nuevo método conservativo para la resolución de la parte advectiva de la ecuación en derivadas parciales que modela la dispersión de contaminantes dentro del modelo mesoescalar de transporte químico CHIMERE. Este método está basado en una técnica de volúmenes finitos junto con una interpolación racional. La ventaja de este método es la conservación exacta de la masa transportada debido al empleo de la ley de conservación de masas. Para ello emplea una formulación de flujo basado en el cálculo de la integral ponderada dentro de cada celda definida para la discretización del espacio en el método de volúmenes finitos. Los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones realizadas (implementando el modelo conservativo para la advección en el modelo CHIMERE) se han comparado con los datos observados de concentración de contaminantes registrados en la red de estaciones de seguimiento y medición distribuidas por la Península Ibérica. Los datos estadísticos de medición del error, la media normalizada y la media absoluta normalizada del error, presentan valores que están dentro de los rangos propuestos por la EPA para considerar el modelo preciso. Además, se introduce un nuevo método para resolver la parte advectivadifusiva de la ecuación en derivadas parciales que modeliza la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Se ha empleado un método de diferencias finitas de alto orden para resolver la parte difusiva de la ecuación de transporte de contaminantes junto con el método racional conservativo para la parte advectiva en una y dos dimensiones. Los resultados obtenidos de la aplicación del método a diferentes situaciones incluyendo casos académicos y reales han sido comparados con la solución analítica de la ecuación de advección-difusión, demostrando que el nuevo método proporciona un resultado preciso para aproximar la solución. Por último, se ha desarrollado un modelo completo que contempla los fenómenos advectivo y difusivo con reacción química, usando los métodos anteriores junto con una técnica de diferenciación regresiva (BDF2). Esta técnica consiste en un método implícito multipaso de diferenciación regresiva de segundo orden, que nos permite resolver los problemas rígidos típicos de la química atmosférica, modelizados a través de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este método hace uso de la técnica iterativa Gauss- Seidel para obtener la solución de la parte implícita de la fórmula BDF2. El empleo de la técnica de Gauss-Seidel en lugar de otras técnicas comúnmente empleadas, como la iteración por el método de Newton, nos proporciona rapidez de cálculo y bajo consumo de memoria, ideal para obtener modelos operativos para la resolución de la cinética química atmosférica. ABSTRACT Extensive research has been performed to solve the atmospheric chemicaladvection- diffusion equation and different numerical methods have been proposed. This Thesis presents the implementation of an exactly conservative method for the advection equation in the European scale Eulerian chemistry transport model CHIMERE based on a rational interpolation and a finite volume algorithm. The advantage of the method is that the cell-integrated average is predicted via a flux formulation, thus the mass is exactly conserved. Numerical results are compared with a set of observation registered at some monitoring sites in Spain. The mean normalized bias and the mean normalized absolute error present values that are inside the range to consider an accurate model performance. In addition, it has been introduced a new method to solve the advectiondiffusion equation. It is based on a high-order accurate finite difference method to solve de diffusion equation together with a rational interpolation and a finite volume to solve the advection equation in one dimension and two dimensions. Numerical results obtained from solving several problems include academic and real atmospheric problems have been compared with the analytical solution of the advection-diffusion equation, showing that the new method give an efficient algorithm for solving such problems. Finally, a complete model has been developed to solve the atmospheric chemical-advection-diffusion equation, adding the conservative method for the advection equation, the high-order finite difference method for the diffusion equation and a second-order backward differentiation formula (BDF2) to solve the atmospheric chemical kinetics. The BDF2 is an implicit, second order multistep backward differentiation formula used to solve the stiff systems of ordinary differential equations (ODEs) from atmospheric chemistry. The Gauss-Seidel iteration is used for approximately solving the implicitly defined BDF solution, giving a faster tool than the more commonly used iterative modified Newton technique. This method implies low start-up costs and a low memory demand due to the use of Gauss-Seidel iteration.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Numerical model for the study of hydrodynamics on bays and estuaries

A nonlinear implicit finite element model for the solution of two-dimensional (2-D) shallow water equations, based on a Galerkin formulation of the 2-D estuaries hydrodynamic equations, has been developed. Spatial discretization has been achieved by the use of isoparametric, Lagrangian elements. To obtain the different element matrices, Simpson numerical integration has been applied. For time integration of the model, several schemes in finite differences have been used: the Cranck-Nicholson iterative method supplies a superior accuracy and allows us to work with the greatest time step Δt; however, central differences time integration produces a greater velocity of calculation. The model has been tested with different examples to check its accuracy and advantages in relation to computation and handling of matrices. Finally, an application to the Bay of Santander is also presented.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Low Work-Function Thermionic Emission and Orbital-Motion-Limited Ion Collection at Bare-Tether Cathodic Contact

Una amarra electrodinámica (electrodynamic tether) opera sobre principios electromagnéticos intercambiando momento con la magnetosfera planetaria e interactuando con su ionosfera. Es un subsistema pasivo fiable para desorbitar etapas de cohetes agotadas y satélites al final de su misión, mitigando el crecimiento de la basura espacial. Una amarra sin aislamiento captura electrones del plasma ambiente a lo largo de su segmento polarizado positivamente, el cual puede alcanzar varios kilómetros de longitud, mientras que emite electrones de vuelta al plasma mediante un contactor de plasma activo de baja impedancia en su extremo catódico, tal como un cátodo hueco (hollow cathode). En ausencia de un contactor catódico activo, la corriente que circula por una amarra desnuda en órbita es nula en ambos extremos de la amarra y se dice que ésta está flotando eléctricamente. Para emisión termoiónica despreciable y captura de corriente en condiciones limitadas por movimiento orbital (orbital-motion-limited, OML), el cociente entre las longitudes de los segmentos anódico y catódico es muy pequeño debido a la disparidad de masas entre iones y electrones. Tal modo de operación resulta en una corriente media y fuerza de Lorentz bajas en la amarra, la cual es poco eficiente como dispositivo para desorbitar. El electride C12A7 : e−, que podría presentar una función de trabajo (work function) tan baja como W = 0.6 eV y un comportamiento estable a temperaturas relativamente altas, ha sido propuesto como recubrimiento para amarras desnudas. La emisión termoiónica a lo largo de un segmento así recubierto y bajo el calentamiento de la operación espacial, puede ser más eficiente que la captura iónica. En el modo más simple de fuerza de frenado, podría eliminar la necesidad de un contactor catódico activo y su correspondientes requisitos de alimentación de gas y subsistema de potencia, lo que resultaría en un sistema real de amarra “sin combustible”. Con este recubrimiento de bajo W, cada segmento elemental del segmento catódico de una amarra desnuda de kilómetros de longitud emitiría corriente como si fuese parte de una sonda cilíndrica, caliente y uniformemente polarizada al potencial local de la amarra. La operación es similar a la de una sonda de Langmuir 2D tanto en los segmentos catódico como anódico. Sin embargo, en presencia de emisión, los electrones emitidos resultan en carga espacial (space charge) negativa, la cual reduce el campo eléctrico que los acelera hacia fuera, o incluso puede desacelerarlos y hacerlos volver a la sonda. Se forma una doble vainas (double sheath) estable con electrones emitidos desde la sonda e iones provenientes del plasma ambiente. La densidad de corriente termoiónica, variando a lo largo del segmento catódico, podría seguir dos leyes distintas bajo diferentes condiciones: (i) la ley de corriente limitada por la carga espacial (space-charge-limited, SCL) o (ii) la ley de Richardson-Dushman (RDS). Se presenta un estudio preliminar sobre la corriente SCL frente a una sonda emisora usando la teoría de vainas (sheath) formada por la captura iónica en condiciones OML, y la corriente electrónica SCL entre los electrodos cilíndricos según Langmuir. El modelo, que incluye efectos óhmicos y el efecto de transición de emisión SCL a emisión RDS, proporciona los perfiles de corriente y potencial a lo largo de la longitud completa de la amarra. El análisis muestra que en el modo más simple de fuerza de frenado, bajo condiciones orbitales y de amarras típicas, la emisión termoiónica proporciona un contacto catódico eficiente y resulta en una sección catódica pequeña. En el análisis anterior, tanto la transición de emisión SCL a RD como la propia ley de emisión SCL consiste en un modelo muy simplificado. Por ello, a continuación se ha estudiado con detalle la solución de vaina estacionaria de una sonda con emisión termoiónica polarizada negativamente respecto a un plasma isotrópico, no colisional y sin campo magnético. La existencia de posibles partículas atrapadas ha sido ignorada y el estudio incluye tanto un estudio semi-analítico mediante técnica asintóticas como soluciones numéricas completas del problema. Bajo las tres condiciones (i) alto potencial, (ii) R = Rmax para la validez de la captura iónica OML, y (iii) potencial monotónico, se desarrolla un análisis asintótico auto-consistente para la estructura de plasma compleja que contiene las tres especies de cargas (electrones e iones del plasma, electrones emitidos), y cuatro regiones espaciales distintas, utilizando teorías de movimiento orbital y modelos cinéticos de las especies. Aunque los electrones emitidos presentan carga espacial despreciable muy lejos de la sonda, su efecto no se puede despreciar en el análisis global de la estructura de la vaina y de dos capas finas entre la vaina y la región cuasi-neutra. El análisis proporciona las condiciones paramétricas para que la corriente sea SCL. También muestra que la emisión termoiónica aumenta el radio máximo de la sonda para operar dentro del régimen OML y que la emisión de electrones es mucho más eficiente que la captura iónica para el segmento catódico de la amarra. En el código numérico, los movimientos orbitales de las tres especies son modelados para potenciales tanto monotónico como no-monotónico, y sonda de radio R arbitrario (dentro o más allá del régimen de OML para la captura iónica). Aprovechando la existencia de dos invariante, el sistema de ecuaciones Poisson-Vlasov se escribe como una ecuación integro-diferencial, la cual se discretiza mediante un método de diferencias finitas. El sistema de ecuaciones algebraicas no lineal resultante se ha resuelto de con un método Newton-Raphson paralelizado. Los resultados, comparados satisfactoriamente con el análisis analítico, proporcionan la emisión de corriente y la estructura del plasma y del potencial electrostático. ABSTRACT An electrodynamic tether operates on electromagnetic principles and exchanges momentum through the planetary magnetosphere, by continuously interacting with the ionosphere. It is a reliable passive subsystem to deorbit spent rocket stages and satellites at its end of mission, mitigating the growth of orbital debris. A tether left bare of insulation collects electrons by its own uninsulated and positively biased segment with kilometer range, while electrons are emitted by a low-impedance active device at the cathodic end, such as a hollow cathode, to emit the full electron current. In the absence of an active cathodic device, the current flowing along an orbiting bare tether vanishes at both ends and the tether is said to be electrically floating. For negligible thermionic emission and orbital-motion-limited (OML) collection throughout the entire tether (electron/ion collection at anodic/cathodic segment, respectively), the anodic-to-cathodic length ratio is very small due to ions being much heavier, which results in low average current and Lorentz drag. The electride C12A7 : e−, which might present a possible work function as low as W = 0.6 eV and moderately high temperature stability, has been proposed as coating for floating bare tethers. Thermionic emission along a thus coated cathodic segment, under heating in space operation, can be more efficient than ion collection and, in the simplest drag mode, may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas-feed requirements and power subsystem, which would result in a truly “propellant-less” tether system. With this low-W coating, each elemental segment on the cathodic segment of a kilometers-long floating bare-tether would emit current as if it were part of a hot cylindrical probe uniformly polarized at the local tether bias, under 2D probe conditions that are also applied to the anodic-segment analysis. In the presence of emission, emitted electrons result in negative space charge, which decreases the electric field that accelerates them outwards, or even reverses it, decelerating electrons near the emitting probe. A double sheath would be established with electrons being emitted from the probe and ions coming from the ambient plasma. The thermionic current density, varying along the cathodic segment, might follow two distinct laws under different con ditions: i) space-charge-limited (SCL) emission or ii) full Richardson-Dushman (RDS) emission. A preliminary study on the SCL current in front of an emissive probe is presented using the orbital-motion-limited (OML) ion-collection sheath and Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects considered and the transition from SCL to full RDS emission is included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission provides efficient cathodic contact and leads to a short cathodic section. In the previous analysis, both the transition between SCL and RDS emission and the current law for SCL condition have used a very simple model. To continue, considering an isotropic, unmagnetized, colissionless plasma and a stationary sheath, the probe-plasma contact is studied in detail for a negatively biased probe with thermionic emission. The possible trapped particles are ignored and this study includes both semianalytical solutions using asymptotic analysis and complete numerical solutions. Under conditions of i) high bias, ii) R = Rmax for ion OML collection validity, and iii) monotonic potential, a self-consistent asymptotic analysis is carried out for the complex plasma structure involving all three charge species (plasma electrons and ions, and emitted electrons) and four distinct spatial regions using orbital motion theories and kinetic modeling of the species. Although emitted electrons present negligible space charge far away from the probe, their effect cannot be neglected in the global analysis for the sheath structure and two thin layers in between the sheath and the quasineutral region. The parametric conditions for the current to be space-chargelimited are obtained. It is found that thermionic emission increases the range of probe radius for OML validity and is greatly more effective than ion collection for cathodic contact of tethers. In the numerical code, the orbital motions of all three species are modeled for both monotonic and non-monotonic potential, and for any probe radius R (within or beyond OML regime for ion collection). Taking advantage of two constants of motion (energy and angular momentum), the Poisson-Vlasov equation is described by an integro differential equation, which is discretized using finite difference method. The non-linear algebraic equations are solved using a parallel implementation of the Newton-Raphson method. The results, which show good agreement with the analytical results, provide the results for thermionic current, the sheath structure, and the electrostatic potential.

Modal analysis of buildings : quantification of uncertainties and model updating

Una estructura vibra con la suma de sus infinitos modos de vibración, definidos por sus parámetros modales (frecuencias naturales, formas modales y coeficientes de amortiguamiento). Estos parámetros se pueden identificar a través del Análisis Modal Operacional (OMA). Así, un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid ha identificado las propiedades modales de un edificio de hormigón armado en Madrid con el método Identificación de los sub-espacios estocásticos (SSI). Para completar el estudio dinámico de este edificio, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos (FE) de este edificio de 19 plantas. Este modelo se ha calibrado a partir de su comportamiento dinámico obtenido experimentalmente a través del OMA. Los objetivos de esta tesis son; (i) identificar la estructura con varios métodos de SSI y el uso de diferentes ventanas de tiempo de tal manera que se cuantifican incertidumbres de los parámetros modales debidos al proceso de estimación, (ii) desarrollar FEM de este edificio y calibrar este modelo a partir de su comportamiento dinámico, y (iii) valorar la bondad del modelo. Los parámetros modales utilizados en esta calibración han sido; espesor de las losas, densidades de los materiales, módulos de elasticidad, dimensiones de las columnas y las condiciones de contorno de la cimentación. Se ha visto que el modelo actualizado representa el comportamiento dinámico de la estructura con una buena precisión. Por lo tanto, este modelo puede utilizarse dentro de un sistema de monitorización estructural (SHM) y para la detección de daños. En el futuro, podrá estudiar la influencia de los agentes medioambientales, tales como la temperatura o el viento, en los parámetros modales. A structure vibrates according to the sum of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). These parameters can be identified through Operational Modal Analysis (OMA). Thus, a research team of the Technical University of Madrid has identified the modal properties of a reinforced-concrete-frame building in Madrid using the Stochastic Subspace Identification (SSI) method and a time domain technique for the OMA. To complete the dynamic study of this building, a finite element model (FE) of this 19-floor building has been developed throughout this thesis. This model has been updated from its dynamic behavior identified by the OMA. The objectives of this thesis are to; (i) identify the structure with several SSI methods and using different time blocks in such a way that uncertainties due to the modal parameter estimation are quantified, (ii) develop a FEM of this building and tune this model from its dynamic behavior, and (iii) Assess the quality of the model, the modal parameters used in this updating process have been; thickness of slabs, material densities, modulus of elasticity, column dimensions and foundation boundary conditions. It has been shown that the final updated model represents the structure with a very good accuracy. Thus, this model might be used within a structural health monitoring framework (SHM). The study of the influence of changing environmental factors (such as temperature or wind) on the model parameters might be considered as a future work.

Analysis of the problems associated with dynamic interaction between train, track and structure at transition zones

El gran desarrollo experimentado por la alta velocidad en los principales países de la Unión Europea, en los últimos 30 años, hace que este campo haya sido y aún sea uno de los principales referentes en lo que a investigación se refiere. Por otra parte, la aparición del concepto super − alta velocidad hace que la investigación en el campo de la ingeniería ferroviaria siga adquiriendo importancia en los principales centros de investigación de los países en los que se desea implantar este modo de transporte, o en los que habiendo sido ya implantado, se pretenda mejorar. Las premisas de eficacia, eficiencia, seguridad y confort, que este medio de transporte tiene como razón de ser pueden verse comprometidas por diversos factores. Las zonas de transición, definidas en la ingeniería ferroviaria como aquellas secciones en las que se produce un cambio en las condiciones de soporte de la vía, pueden afectar al normal comportamiento para el que fue diseñada la infraestructura, comprometiendo seriamente los estándares de eficiencia en el tiempo de viaje, confort de los pasajeros y aumentando considerablemente los costes de mantenimiento de la vía, si no se toman las medidas oportunas. En esta tesis se realiza un estudio detallado de la zonas de transición, concretamente de aquellas en las que existe una cambio en la rigidez vertical de la vía debido a la presencia de un marco hidráulico. Para realizar dicho estudio se lleva a cabo un análisis numérico de interacción entre el vehículo y la estructura, con un modelo bidimensional de elemento finitos, calibrado experimentalmente, en estado de tensión plana. En este análisis se tiene en cuenta el efecto de las irregularidades de la vía y el comportamiento mecánico de la interfaz suelo-estructura, con el objetivo de reproducir de la forma más real posible el efecto de interacción entre el vehículo, la vía y la estructura. Otros efectos como la influencia de la velocidad del tren y los asientos diferenciales, debidos a deformaciones por consolidación de los terraplenes a ambos lados el marco hidráulico, son también analizados en este trabajo. En esta tesis, los cálculos de interacción se han llevado a cabo en dos fases diferentes. En la primera, se ha considerado una interacción sencilla debida al paso de un bogie de un tren Eurostar. Los cálculos derivados de esta fase se han denominado cálculos a corto plazo. En la segunda, se ha realizado un análisis considerando múltiples pasos de bogie del tren Eurostar, conformando un análisis de degradación en el que se tiene en cuenta, en cada ciclo, la deformación de la capa de balasto. Los cálculos derivados de esta fase, son denominados en el texto como cálculos a largo plazo. Los resultados analizados muestran que la utilización de los denominados elementos de contacto es fundamental cuando se desea estudiar la influencia de asientos diferenciales, especialmente en transiciones terraplén-estructura en las que la cuña de cimentación no llega hasta la base de cimentación de la estructura. Por otra parte, tener en cuenta los asientos del terraplén, es sumamente importante, cuando se desea realizar un análisis de degradación de la vía ya que su influencia en la interacción entre el vehículo y la vía es muy elevada, especialmente para valores altos de velocidad del tren. En cuanto a la influencia de las irregularidades de la vía, en los cálculos efectuados, se revela que su importancia es muy notable, siendo su influencia muy destacada cuanto mayor sea la velocidad del tren. En este punto cabe destacar la diferencia de resultados derivada de la consideración de perfiles de irregularidades de distinta naturaleza. Los resultados provenientes de considerar perfiles artificiales son en general muy elevados, siendo estos más apropiados para realizar estudios de otra índole, como por ejemplo de seguridad al descarrilamiento. Los resultados provenientes de perfiles reales, dados por diferentes Administradores ferroviarios, presentan resultados menos elevados y más propios del problema analizar. Su influencia en la interacción dinámica entre el vehículo y la vía es muy importante, especialmente para velocidades elevadas del tren. Además el fenómeno de degradación conocido como danza de traviesas, asociado a zonas de transición, es muy susceptible a la consideración de irregularidades de la vía, tal y como se desprende de los cálculos efectuados a largo plazo. The major development experienced by high speed in the main countries of the European Union, in the last 30 years, makes railway research one of the main references in the research field. It should also be mentioned that the emergence of the concept superhigh − speed makes research in the field of Railway Engineering continues to gain importance in major research centers in the countries in which this mode of transportation is already implemented or planned to be implemented. The characteristics that this transport has as rationale such as: effectiveness, efficiency, safety and comfort, may be compromised by several factors. The transition zones are defined in railway engineering as a region in which there is an abrupt change of track stiffness. This stiffness variation can affect the normal behavior for which the infrastructure has been designed, seriously compromising efficiency standards in the travel time, passenger comfort and significantly increasing the costs of track maintenance, if appropriate measures are not taken. In this thesis a detailed study of the transition zones has been performed, particularly of those in which there is a change in vertical stiffness of the track due to the presence of a reinforced concrete culvert. To perform such a study a numerical interaction analysis between the vehicle, the track and the structure has been developed. With this purpose a two-dimensional finite element model, experimentally calibrated, in a state of plane stress, has been used. The implemented numerical models have considered the effects of track irregularities and mechanical behavior of soil-structure interface, with the objective of reproducing as accurately as possible the dynamic interaction between the vehicle the track and the structure. Other effects such as the influence of train speed and differential settlement, due to secondary consolidation of the embankments on both sides of culvert, have also been analyzed. In this work, the interaction analysis has been carried out in two different phases. In the first part a simple interaction due to the passage of a bogie of a Eurostar train has been considered. Calculations derived from this phase have been named short-term analysis. In the second part, a multi-load assessment considering an Eurostar train bogie moving along the transition zone, has been performed. The objective here is to simulate a degradation process in which vertical deformation of the ballast layer was considered. Calculations derived from this phase have been named long-term analysis. The analyzed results show that the use of so-called contact elements is essential when one wants to analyze the influence of differential settlements, especially in embankment-structure transitions in which the wedge-shaped backfill does not reach the foundation base of the structure. Moreover, considering embankment settlement is extremely important when it is desired to perform an analysis of track degradation. In these cases the influence on the interaction behaviour between the vehicle and the track is very high, especially for higher values of speed train. Regarding the influence of the track irregularities, this study has proven that the track’s dynamic response is heavily influenced by the irregularity profile and that this influence is more important for higher train velocities. It should also be noted that the difference in results derived from consideration of irregularities profiles of different nature. The results coming from artificial profiles are generally very high, these might be more appropriate in order to study other effects, such as derailment safety. Results from real profiles, given by the monitoring works of different rail Managers, are softer and they fit better to the context of this thesis. The influence of irregularity profiles on the dynamic interaction between the train and the track is very important, especially for high-speeds of the train. Furthermore, the degradation phenomenon known as hanging sleepers, associated with transition zones, is very susceptible to the consideration of track irregularities, as it can be concluded from the long-term analysis.

Evaluación de la seguridad al deslizamiento de una presa de fábrica en un cimiento con una familia de discontinuidades y con un criterio de rotura con ley de fluencia no asociada

En España existen del orden de 1,300 grandes presas, de las cuales un 20% fueron construidas antes de los años 60. El hecho de que existan actualmente una gran cantidad de presas antiguas aún en operación, ha producido un creciente interés en reevaluar su seguridad empleando herramientas nuevas o modificadas que incorporan modelos de fallo teóricos más completos, conceptos geotécnicos más complejos y nuevas técnicas de evaluación de la seguridad. Una manera muy común de abordar el análisis de estabilidad de presas de gravedad es, por ejemplo, considerar el deslizamiento a través de la interfase presa-cimiento empleando el criterio de rotura lineal de Mohr-Coulomb, en donde la cohesión y el ángulo de rozamiento son los parámetros que definen la resistencia al corte de la superficie de contacto. Sin embargo la influencia de aspectos como la presencia de planos de debilidad en el macizo rocoso de cimentación; la influencia de otros criterios de rotura para la junta y para el macizo rocoso (ej. el criterio de rotura de Hoek-Brown); las deformaciones volumétricas que ocurren durante la deformación plástica en el fallo del macizo rocoso (i.e., influencia de la dilatancia) no son usualmente consideradas durante el diseño original de la presa. En este contexto, en la presente tesis doctoral se propone una metodología analítica para el análisis de la estabilidad al deslizamiento de presas de hormigón, considerando un mecanismo de fallo en la cimentación caracterizado por la presencia de una familia de discontinuidades. En particular, se considera la posibilidad de que exista una junta sub-horizontal, preexistente y persistente en el macizo rocoso de la cimentación, con una superficie potencial de fallo que se extiende a través del macizo rocoso. El coeficiente de seguridad es entonces estimado usando una combinación de las resistencias a lo largo de los planos de rotura, cuyas resistencias son evaluadas empleando los criterios de rotura no lineales de Barton y Choubey (1977) y Barton y Bandis (1990), a lo largo del plano de deslizamiento de la junta; y el criterio de rotura de Hoek y Brown (1980) en su versión generalizada (Hoek et al. 2002), a lo largo del macizo rocoso. La metodología propuesta también considera la influencia del comportamiento del macizo rocoso cuando este sigue una ley de flujo no asociada con ángulo de dilatancia constante (Hoek y Brown 1997). La nueva metodología analítica propuesta es usada para evaluar las condiciones de estabilidad empleando dos modelos: un modelo determinista y un modelo probabilista, cuyos resultados son el valor del coeficiente de seguridad y la probabilidad de fallo al deslizamiento, respectivamente. El modelo determinista, implementado en MATLAB, es validado usando soluciones numéricas calculadas mediante el método de las diferencias finitas, empleando el código FLAC 6.0. El modelo propuesto proporciona resultados que son bastante similares a aquellos calculados con FLAC; sin embargo, los costos computacionales de la formulación propuesta son significativamente menores, facilitando el análisis de sensibilidad de la influencia de los diferentes parámetros de entrada sobre la seguridad de la presa, de cuyos resultados se obtienen los parámetros que más peso tienen en la estabilidad al deslizamiento de la estructura, manifestándose además la influencia de la ley de flujo en la rotura del macizo rocoso. La probabilidad de fallo es obtenida empleando el método de fiabilidad de primer orden (First Order Reliability Method; FORM), y los resultados de FORM son posteriormente validados mediante simulaciones de Monte Carlo. Los resultados obtenidos mediante ambas metodologías demuestran que, para el caso no asociado, los valores de probabilidad de fallo se ajustan de manera satisfactoria a los obtenidos mediante las simulaciones de Monte Carlo. Los resultados del caso asociado no son tan buenos, ya que producen resultados con errores del 0.7% al 66%, en los que no obstante se obtiene una buena concordancia cuando los casos se encuentran en, o cerca de, la situación de equilibrio límite. La eficiencia computacional es la principal ventaja que ofrece el método FORM para el análisis de la estabilidad de presas de hormigón, a diferencia de las simulaciones de Monte Carlo (que requiere de al menos 4 horas por cada ejecución) FORM requiere tan solo de 1 a 3 minutos en cada ejecución. There are 1,300 large dams in Spain, 20% of which were built before 1960. The fact that there are still many old dams in operation has produced an interest of reevaluate their safety using new or updated tools that incorporate state-of-the-art failure modes, geotechnical concepts and new safety assessment techniques. For instance, for gravity dams one common design approach considers the sliding through the dam-foundation interface, using a simple linear Mohr-Coulomb failure criterion with constant friction angle and cohesion parameters. But the influence of aspects such as the persistence of joint sets in the rock mass below the dam foundation; of the influence of others failure criteria proposed for rock joint and rock masses (e.g. the Hoek-Brown criterion); or the volumetric strains that occur during plastic failure of rock masses (i.e., the influence of dilatancy) are often no considered during the original dam design. In this context, an analytical methodology is proposed herein to assess the sliding stability of concrete dams, considering an extended failure mechanism in its rock foundation, which is characterized by the presence of an inclined, and impersistent joint set. In particular, the possibility of a preexisting sub-horizontal and impersistent joint set is considered, with a potential failure surface that could extend through the rock mass; the safety factor is therefore computed using a combination of strength along the rock joint (using the nonlinear Barton and Choubey (1977) and Barton and Bandis (1990) failure criteria) and along the rock mass (using the nonlinear failure criterion of Hoek and Brown (1980) in its generalized expression from Hoek et al. (2002)). The proposed methodology also considers the influence of a non-associative flow rule that has been incorporated using a (constant) dilation angle (Hoek and Brown 1997). The newly proposed analytical methodology is used to assess the dam stability conditions, employing for this purpose the deterministic and probabilistic models, resulting in the sliding safety factor and the probability of failure respectively. The deterministic model, implemented in MATLAB, is validated using numerical solution computed with the finite difference code FLAC 6.0. The proposed deterministic model provides results that are very similar to those computed with FLAC; however, since the new formulation can be implemented in a spreadsheet, the computational cost of the proposed model is significantly smaller, hence allowing to more easily conduct parametric analyses of the influence of the different input parameters on the dam’s safety. Once the model is validated, parametric analyses are conducting using the main parameters that describe the dam’s foundation. From this study, the impact of the more influential parameters on the sliding stability analysis is obtained and the error of considering the flow rule is assessed. The probability of failure is obtained employing the First Order Reliability Method (FORM). The probabilistic model is then validated using the Monte Carlo simulation method. Results obtained using both methodologies show good agreement for cases in which the rock mass has a nonassociate flow rule. For cases with an associated flow rule errors between 0.70% and 66% are obtained, so that the better adjustments are obtained for cases with, or close to, limit equilibrium conditions. The main advantage of FORM on sliding stability analyses of gravity dams is its computational efficiency, so that Monte Carlo simulations require at least 4 hours on each execution, whereas FORM requires only 1 to 3 minutes on each execution.

Acoustic characterization of open cavities with the image source model

El objetivo de esta tesis es investigar las resonancias acústicas de una cavidad abierta tridimensional, de paredes rectas o inclinadas, mediante un método rápido y eficiente en el dominio del tiempo. Este método modela la respuesta temporal en cualquier punto como la convolución de la forma de onda de la fuente con la respuesta impulsiva de la cavidad, la cual se obtiene como una secuencia de impulsos retardados y atenuados procedentes de la fuente real, el primero, y de las fuentes imágenes especulares, los siguientes (Modelo Fuente Imagen, ISM). Además de las componentes directa y reflejadas en las paredes, la respuesta impulsiva también incluye las contribuciones difractadas en los bordes, obtenidas mediante la generación de las componentes difractadas de cada fuente imagen. Las frecuencias de resonancia acústica de la cavidad abierta son extraídas de los picos de la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF), obtenida como la transformada de Fourier de la respuesta temporal correspondiente entre una fuente puntual y un punto cualquiera de la cavidad. Las frecuencias de resonancia acústicas estimadas mediante este Método de Fuentes Imagen + difracción en bordes son validadas por comparación con las que proporciona un Modelo de Elementos Finitos (FEM) y con las medidas experimentalmente, con diferencias menores que el 1.6 % y el 2.7 %, respectivamente. A modo de comparación, las frecuencias de resonancia estimadas para la misma cavidad por el método ISM, cuando no se incluye la difracción en los bordes, difieren en un 5.7 % de las obtenidas experimentalmente. ABSTRACT The goal of this thesis is to investigate the acoustic resonances of a three-dimensional open cavity, with parallel and non-parallel walls, by a fast and efficient method in the time domain. This method models the time response in any point as the convolution of the source waveform with the impulse response of the cavity, which, in turn, is obtained as a sequence of attenuated and delayed impulses coming, the first from the real, and the subsequent from the mirror imaged sources (Image Source Model). Besides direct and wall-reflected components, the impulse response includes also edge-diffracted contributions by generating first order diffraction components for each image source. The acoustic resonance frequencies of the open cavity are extracted from the peaks of the Frequency Response Function (FRF), obtained as the Fourier transform of the corresponding time response between a point source and any point in the cavity. The acoustic resonance frequencies estimated by the Image Source Model + edge diffraction are validated by comparison with those provided by a Finite Element Model (FEM) and the ones measured experimentally, differing less than 1.6 % and 2.7 %, respectively. As a comparison, resonance frequencies estimated with the pure Image Source Model differ by 5.7 % from the measured ones.

Electro y dielectroforesis de nanopartículas por efecto fotovoltaico

El objetivo de esta tesis doctoral es la investigación del nuevo concepto de pinzas fotovoltaicas, es decir, del atrapamiento, ordenación y manipulación de partículas en las estructuras generadas en la superficie de materiales ferroeléctricos mediante campos fotovoltaicos o sus gradientes. Las pinzas fotovoltaicas son una herramienta prometedora para atrapar y mover las partículas en la superficie de un material fotovoltaico de una manera controlada. Para aprovechar esta nueva técnica es necesario conocer con precisión el campo eléctrico creado por una iluminación específica en la superficie del cristal y por encima de ella. Este objetivo se ha dividido en una serie de etapas que se describen a continuación. La primera etapa consistió en la modelización del campo fotovoltaico generado por iluminación no homogénea en substratos y guías de onda de acuerdo al modelo de un centro. En la segunda etapa se estudiaron los campos y fuerzas electroforéticas y dielectroforéticas que aparecen sobre la superficie de substratos iluminados inhomogéneamente. En la tercera etapa se estudiaron sus efectos sobre micropartículas y nanopartículas, en particular se estudió el atrapamiento superficial determinando las condiciones que permiten el aprovechamiento como pinzas fotovoltaicas. En la cuarta y última etapa se estudiaron las configuraciones más eficientes en cuanto a resolución espacial. Se trabajó con distintos patrones de iluminación inhomogénea, proponiéndose patrones de iluminación al equipo experimental. Para alcanzar estos objetivos se han desarrollado herramientas de cálculo con las cuales obtenemos temporalmente todas las magnitudes que intervienen en el problema. Con estas herramientas podemos abstraernos de los complicados mecanismos de atrapamiento y a partir de un patrón de luz obtener el atrapamiento. Todo el trabajo realizado se ha llevado a cabo en dos configuraciones del cristal, en corte X ( superficie de atrapamiento paralela al eje óptico) y corte Z ( superficie de atrapamiento perpendicular al eje óptico). Se ha profundizado en la interpretación de las diferencias en los resultados según la configuración del cristal. Todas las simulaciones y experimentos se han realizado utilizando como soporte un mismo material, el niobato de litio, LiNbO3, con el f n de facilitar la comparación de los resultados. Este hecho no ha supuesto una limitación en los resultados pues los modelos no se limitan a este material. Con respecto a la estructura del trabajo, este se divide en tres partes diferenciadas que son: la introducción (I), la modelización del atrapamiento electroforético y dielectroforético (II) y las simulaciones numéricas y comparación con experimentos (III). En la primera parte se fijan las bases sobre las que se sustentarán el resto de las partes. Se describen los efectos electromagnéticos y ópticos a los que se hará referencia en el resto de los capítulos, ya sea por ser necesarios para describir los experimentos o, en otros casos, para dejar constancia de la no aparición de estos efectos para el caso en que nos ocupa y justificar la simplificación que en muchos casos se hace del problema. En esta parte, se describe principalmente el atrapamiento electroforético y dielectroforético, el efecto fotovoltaico y las propiedades del niobato de litio por ser el material que utilizaremos en experimentos y simulaciones. Así mismo, como no debe faltar en ninguna investigación, se ha analizado el state of the art, revisando lo que otros científicos del campo en el que estamos trabajando han realizado y escrito con el fin de que nos sirva de cimiento a la investigación. Con el capítulo 3 finalizamos esta primera parte describiendo las técnicas experimentales que hoy en día se están utilizando en los laboratorios para realizar el atrapamiento de partículas mediante el efecto fotovoltaico, ya que obtendremos ligeras diferencias en los resultados según la técnica de atrapamiento que se utilice. En la parte I I , dedicada a la modelización del atrapamiento, empezaremos con el capítulo 4 donde modelizaremos el campo eléctrico interno de la muestra, para a continuación modelizar el campo eléctrico, los potenciales y las fuerzas externas a la muestra. En capítulo 5 presentaremos un modelo sencillo para comprender el problema que nos aborda, al que llamamos Modelo Estacionario de Separación de Carga. Este modelo da muy buenos resultados a pesar de su sencillez. Pasamos al capítulo 6 donde discretizaremos las ecuaciones que intervienen en la física interna de la muestra mediante el método de las diferencias finitas, desarrollando el Modelo de Distribución de Carga Espacial. Para terminar esta parte, en el capítulo 8 abordamos la programación de las modelizaciones presentadas en los anteriores capítulos con el fn de dotarnos de herramientas para realizar las simulaciones de una manera rápida. En la última parte, III, presentaremos los resultados de las simulaciones numéricas realizadas con las herramientas desarrolladas y comparemos sus resultados con los experimentales. Fácilmente podremos comparar los resultados en las dos configuraciones del cristal, en corte X y corte Z. Finalizaremos con un último capítulo dedicado a las conclusiones, donde resumiremos los resultados que se han ido obteniendo en cada apartado desarrollado y daremos una visión conjunta de la investigación realizada. ABSTRACT The aim of this thesis is the research of the new concept of photovoltaic or optoelectronic tweezers, i.e., trapping, management and manipulation of particles in structures generated by photovoltaic felds or gradients on the surface of ferroelectric materials. Photovoltaic tweezers are a promising tool to trap and move the particles on the surface of a photovoltaic material in a monitored way. To take advantage of this new technique is necessary to know accurately the electric field created by a specifc illumination in the crystal surface and above it. For this purpose, the work was divided into the stages described below. The first stage consisted of modeling the photovoltaic field generated by inhomogeneous illumination in substrates and waveguides according to the one-center model. In the second stage, electrophoretic and dielectrophoretic fields and forces appearing on the surface of substrates and waveguides illuminated inhomogeneously were studied. In the third stage, the study of its effects on microparticles and nanoparticles took place. In particular, the trapping surface was studied identifying the conditions that allow its use as photovoltaic tweezers. In the fourth and fnal stage the most efficient configurations in terms of spatial resolution were studied. Different patterns of inhomogeneous illumination were tested, proposing lightning patterns to the laboratory team. To achieve these objectives calculation tools were developed to get all magnitudes temporarily involved in the problem . With these tools, the complex mechanisms of trapping can be simplified, obtaining the trapping pattern from a light pattern. All research was carried out in two configurations of crystal; in X section (trapping surface parallel to the optical axis) and Z section (trapping surface perpendicular to the optical axis). The differences in the results depending on the configuration of the crystal were deeply studied. All simulations and experiments were made using the same material as support, lithium niobate, LiNbO3, to facilitate the comparison of results. This fact does not mean a limitation in the results since the models are not limited to this material. Regarding the structure of this work, it is divided into three clearly differentiated sections, namely: Introduction (I), Electrophoretic and Dielectrophoretic Capture Modeling (II) and Numerical Simulations and Comparison Experiments (III). The frst section sets the foundations on which the rest of the sections will be based on. Electromagnetic and optical effects that will be referred in the remaining chapters are described, either as being necessary to explain experiments or, in other cases, to note the non-appearance of these effects for the present case and justify the simplification of the problem that is made in many cases. This section mainly describes the electrophoretic and dielectrophoretic trapping, the photovoltaic effect and the properties of lithium niobate as the material to use in experiments and simulations. Likewise, as required in this kind of researches, the state of the art have been analyzed, reviewing what other scientists working in this field have made and written so that serve as a foundation for research. With chapter 3 the first section finalizes describing the experimental techniques that are currently being used in laboratories for trapping particles by the photovoltaic effect, because according to the trapping technique in use we will get slightly different results. The section I I , which is dedicated to the trapping modeling, begins with Chapter 4 where the internal electric field of the sample is modeled, to continue modeling the electric field, potential and forces that are external to the sample. Chapter 5 presents a simple model to understand the problem addressed by us, which is called Steady-State Charge Separation Model. This model gives very good results despite its simplicity. In chapter 6 the equations involved in the internal physics of the sample are discretized by the finite difference method, which is developed in the Spatial Charge Distribution Model. To end this section, chapter 8 is dedicated to program the models presented in the previous chapters in order to provide us with tools to perform simulations in a fast way. In the last section, III, the results of numerical simulations with the developed tools are presented and compared with the experimental results. We can easily compare outcomes in the two configurations of the crystal, in section X and section Z. The final chapter collects the conclusions, summarizing the results that were obtained in previous sections and giving an overview of the research.

Depth Averaged Models for Fast Landslide Propagation: Mathematical, Rheological and Numerical Aspects

This paper presents an overview of depth averaged modelling of fast catastrophic landslides where coupling of solid skeleton and pore fluid (air and water) is important. The first goal is to show how Biot-Zienkiewicz models can be applied to develop depth integrated, coupled models. The second objective of the paper is to consider a link which can be established between rheological and constitutive models. Perzyna´s viscoplasticity can be considered a general framework within which rheological models such as Bingham and cohesive frictional fluids can be derived. Among the several alternative numerical models, we will focus here on SPH which has not been widely applied by engineers to model landslide propagation. We propose an improvement, based on combining Finite Difference meshes associated to SPH nodes to describe pore pressure evolution inside the landslide mass. We devote a Section to analyze the performance of the models, considering three sets of tests and examples which allows to assess the model performance and limitations: (i) Problems having an analytical solution, (ii) Small scale laboratory tests, and (iii) Real cases for which we have had access to reliable information

A time-domain finite element method for seakeeping and wave resistance problems

El objetivo de la tesis es la investigación de algoritmos numéricos para el desarrollo de herramientas numéricas para la simulación de problemas tanto de comportamiento en la mar como de resistencia al avance de buques y estructuras flotantes. La primera herramienta desarrollada resuelve el problema de difracción y radiación de olas. Se basan en el método de los elementos finitos (MEF) para la resolución de la ecuación de Laplace, así como en esquemas basados en MEF, integración a lo largo de líneas de corriente, y en diferencias finitas desarrollados para la condición de superficie libre. Se han desarrollado herramientas numéricas para la resolución de la dinámica de sólido rígido en sistemas multicuerpos con ligaduras. Estas herramientas han sido integradas junto con la herramienta de resolución de olas difractadas y radiadas para la resolución de problemas de interacción de cuerpos con olas. También se han diseñado algoritmos de acoplamientos con otras herramientas numéricas para la resolución de problemas multifísica. En particular, se han realizado acoplamientos con una herramienta numérica basada de cálculo de estructuras con MEF para problemas de interacción fluido-estructura, otra de cálculo de líneas de fondeo, y con una herramienta numérica de cálculo de flujos en tanques internos para problemas acoplados de comportamiento en la mar con “sloshing”. Se han realizado simulaciones numéricas para la validación y verificación de los algoritmos desarrollados, así como para el análisis de diferentes casos de estudio con aplicaciones diversas en los campos de la ingeniería naval, oceánica, y energías renovables marinas. ABSTRACT The objective of this thesis is the research on numerical algorithms to develop numerical tools to simulate seakeeping problems as well as wave resistance problems of ships and floating structures. The first tool developed is a wave diffraction-radiation solver. It is based on the finite element method (FEM) in order to solve the Laplace equation, as well as numerical schemes based on FEM, streamline integration, and finite difference method tailored for solving the free surface boundary condition. It has been developed numerical tools to solve solid body dynamics of multibody systems with body links across them. This tool has been integrated with the wave diffraction-radiation solver to solve wave-body interaction problems. Also it has been tailored coupling algorithms with other numerical tools in order to solve multi-physics problems. In particular, it has been performed coupling with a MEF structural solver to solve fluid-structure interaction problems, with a mooring solver, and with a solver capable of simulating internal flows in tanks to solve couple seakeeping-sloshing problems. Numerical simulations have been carried out to validate and verify the developed algorithms, as well as to analyze case studies in the areas of marine engineering, offshore engineering, and offshore renewable energy.

Direct molecular level measurements of the electrostatic properties of a protein surface

In this work, we used direct measurements with the surface force apparatus to determine the pH-dependent electrostatic charge density of a single binding face of streptavidin. Mean field calculations have been used with considerable success to model electrostatic potential fields near protein surfaces, but these models and their inherent assumptions have not been tested directly at the molecular level. Using the force apparatus and immobilized, oriented monolayers of streptavidin, we measured a pI of 5–5.5 for the biotin-binding face of the protein. This differs from the pI of 6.3 for the soluble protein and confirms that we probed the local electrostatic features of the macromolecule. With finite difference solutions of the linearized Poisson–Boltzmann equation, we then calculated the pH-dependent charge densities adjacent to the same face of the protein. These calculated values agreed quantitatively with those obtained by direct force measurements. Although our study focuses on the pH-dependence of surface electrostatics, this direct approach to probing the electrostatic features of proteins is applicable to investigations of any perturbations that alter the charge distribution of the surfaces of immobilized molecules.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

Análise da abrangência de modelo modificado para mancais curtos com deformação.

Este trabalho apresenta uma discussão sobre o estudo dos efeitos térmicos e elásticos decorrentes da pressão de sustentação presentes nos mancais. Para tanto, propõe-se um modelo matemático baseado nas equações para mancais curtos considerando a região de cavitação e utilizando o princípio da continuidade de massa. Com isto, deduzem-se as equações para o mancal a partir das equações de Reynolds e da energia, aplicando uma solução modificada para a solução de Ocvirk, sendo as equações resolvidas numericamente pelo Método das Diferenças Finitas. Somado o tratamento de mecânica dos fluidos, o trabalho discute dois modelos térmicos de previsão de temperatura média do fluido e sua influência no campo de pressão, apresentando gráficos representativos do campo de pressão e de temperatura, assim como as diferenças e implicações das diferenças. Para o cálculo de deformação da estrutura, utiliza-se um Modelo de Elementos Finitos para uma dada geometria, fazendo-se uma avaliação da variação do campo de pressão e o quanto essa diferença afeta as demais propriedades do fluido. Por fim, com o modelo completo, calcula-se o quanto esse modelamento para mancais curtos se aproxima de soluções para mancais finitos, com base em resultados da literatura, chegando a desvios quase oito vezes menores que os previstos pela literatura. Além disso, pode-se estabelecer a abrangência do modelo, ou seja, prever as condições em que suas propriedades são válidas e podem ser utilizadas para estudos iniciais.